Bedeutung endogener und exogener Quellen reaktiver Sauerstoffspezies für die Entstehung des malignen Melanoms

Bedeutung endogener und exogener Quellen reaktiver Sauerstoffspezies für die Entstehung des malignen Melanoms Um zu überprüfen, ob reaktive Sauerstoffspezies (ROS) an der Entstehung des malignen Melanoms ursächlich beteiligt sind, wurde in dieser Arbeit der Einfluss von Mitochondrien als endogener und Licht als exogener ROS-Quelle untersucht.Nach Bestrahlung mit Licht (Halogenlampe 1000 W, 1125 kJ/m² zwischen 400-800 nm) reagierten M8,99-Melanomzellen sensitiver mit der Bildung oxidativer DNA-Basenmodifikationen als Hautfibroblasten des gleichen Melanompatienten. In einer anderen Melanomzelle (M2/02) war ein klarer Reparaturdefekt oxidativer DNA-Schäden zu beobachten. Bei viermaliger Bestrahlung mit Licht im Abstand von zwei Stunden (je 450 k/m²) nahm die Zahl induzierter oxidativer DNA-Modifikationen und Mikrokerne stetig zu. Durch Mehrfachbestrahlung mit Kantenfilter (? > 395 nm) konnte gezeigt werden, dass ein Teil der Mikrokerne im Bereich sichtbaren Lichts entsteht. Mitochondrien könnten als endogene Hauptquelle für ROS an der Entstehung oxidativer DNA-Modifikationen und des malignen Melanoms beteiligt sein. Die Abwesenheit der mitochondrialen Atmungskette bewirkte in dieser Arbeit eine nachhaltige Abnahme der intrazellulären ROS-Bildung bzw. ihre Stimulation durch mitochondriale Gifte eine starke Zunahme. Da in beiden Fällen kein Effekt auf die Zahl der oxidativen DNA-Modifikationen zu beobachten war, kann die mitochondriale ROS-Produktion nicht auf diesem Weg zur Melanom-Entstehung beitragen.

Modulation der Genexpression und des neuronalen Zelltods durch das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP)

Das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP) spielt eine zentrale Rolle in der Entstehung und Entwicklung von Morbus Alzheimer. Hierbei ist die proteolytische Prozessierung von APP von entscheidender Bedeutung. Das Verhältnis von neurotoxischen und neuroprotektiven Spaltprodukten, die über den amyloidogenen und nicht-amyloidogenen Weg der APP-Prozessierung gebildeten werden, ist für das Überleben von Neuronen und deren Resistenz gegen zytotoxische Stress-Stimuli von hoher Relevanz. Störungen der Calcium-Homöostase sind ein bekanntes Phänomen bei Morbus Alzheimer. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von überexprimiertem APP in der Regulation des neuronalen Zelltods nach Calcium Freisetzung untersucht. Die Calcium Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum wurde durch die Inhibition der sarko- und endoplasmatischen Calcium-ATPasen (SERCA) ausgelöst. Dies führt zur Induktion der sogenannten „unfolded protein response“ (UPR) und zu einer Aktivierung von Effektor-Caspasen. Für APP-überexprimierende PC12 Zellen konnte bereits zuvor eine im Vergleich zur Kontrolle nach der durch Calcium Freisetzung-induzierten Apoptose eine erhöhte intrazelluläre Calcium Konzentration nachgewiesen werden. Über die Messung der Aktivierung von Effektor-Caspasen konnte zudem ein gesteigerter Zelltod in den APP-überexprimierenden Zellen gemessen werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass der pro-apoptotische Transkriptionsfaktor CHOP, nicht aber die klassischen UPR-Zielgene spezifisch hochreguliert wurden. Die APP-modulierte gesteigerte Induktion von Apoptose nach Calcium Freisezung konnte durch Komplexierung der intrazellulären Calcium Ionen und durch Knockdown von CHOP im Vergleich zur Kontrolle gänzlich unterdrückt werden. Ferner bewirkte die Inhibition der Speicher-aktivierten Calcium-Kanälen (SOCC) eine signifikante Unterdrückung der beobachteten erhöhten intrazellulären Calcium Konzentration und der gesteigerten Apoptose in den APP-überexprimierenden PC12 Zellen. In diesem Teil der Arbeit konnte eindeutig gezeigt werden, dass APP in der Lage ist den durch Calcium-Freisetzung-induzierten Zelltod zu potenzieren. Diese Modulation durch APP verläuft in einer UPR-unabhängigen Reaktion über die Aktivierung von SOCC’s, einer erhöhten Aufnahme von extrazellulärem Calcium und durch erhöhte Induktion des pro-apoptotischen Transkriptionsfaktors CHOP. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die sAPPα-vermittelte Neuroprotektion untersucht. Dabei handelt es sich um die N-terminale Ektodomäne von APP, die über die Aktivität der α-Sekretase prozessiert wird und anschließend extrazellulär abgegeben wird. Ziel dieser Versuchsreihe war die neuroprotektive physiologische Funktion von APP im Hinblick auf den Schutz von neuronalen Zellen vor diversen für Morbus Alzheimer relevanten Stress-Stimuli bzw. Apoptose-Stimuli zu untersuchen. Durch die Analyse der Effektor-Caspasen konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist PC12 Zellen potent vor oxidativem Stress, DNA-Schäden, Hypoxie, proteasomalem Stress und Calcium-Freisetzung zu schützen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist den pro-apoptotischen Stress-induzierten JNK/Akt-Signalweg zu inhibieren. Eine Beteiligung des anti-apoptotischen PI3K/Akt-Signalwegs bei der sAPPα-vermittelten Protektion konnte über die Inhibition der PI3-Kinase ebenfalls demonstriert werden, die eine Aufhebung der sAPPα-vermittelten Neuroprotektion bewirkte. Diese Daten zeigen neue molekulare Mechanismen auf, die dem sAPPα-vermittelten Schutz vor pathophysiologisch relevanten Stress-Stimuli in neuronalen Zellen zugrunde liegen. Im letzten Teil der Arbeit wurden verschieden Gruppen von pharmakologischen Substanzen im Hinblick auf ihre neuroprotektive Wirkung untersucht und mit ihren Effekten auf den APP-Metabolismus korreliert. Die Untersuchungen ergaben, dass Galantamin, ein schwacher Acetycholinesterase Inhibitor und allosterisch potenzierender Ligand von nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren in der Lage war, naive, und mit noch höherer Effizienz APP-überexprimierende Zelllinien vor dem Stress-induzierten Zelltod zu schützen. Zudem bewirkte Galantamin in APP-überexprimierenden HEK293 Zellen eine rasche Erhöhung der sAPPα Sekretion, so dass hier von einer Rezeptor-vermittelten Modulation des APP Metabolismus ausgegangen werden kann. Omega-3 Fettsäuren wirken sich positiv auf die Membranfluidität von Zellen aus und es konnte bereits gezeigt werden, dass die Bildung des toxischen Aβ Peptids hierdurch vermindert wird. In Analogie zu Galantamin schützte die Omega-3 Fettsäure Docosahexaensäure (DHA) neuronale Zellen vor dem Stress-induzierten Zelltod, wobei der Schutz in APP-überexprimierenden Zellen besonders effizient war. Diese Daten legen nahe, dass die Aktivierung des antiamyloidogenen Wegs der APP-Prozessierung ein viel versprechender Ansatz für die Entwicklung neuer Therapien gegen Morbus Alzheimer sein könnte.

DNA-Reparatur-assoziierte genetische und epigenetische Faktoren für die Zweittumorentstehung nach Tumoren im Kindes- und Jugendalter

Die Ursachen der Zweittumorentwicklung bei Personen, die eine Krebserkrankung in der Kindheit überlebten, sind weitgehend unklar. Strahlenexposition oder Chemotherapie führen in normalen somatischen Zellen zu DNA-Schäden, welche bei fehlerhafter Reparatur eine Karzinogenese auslösen können. Es ist denkbar, dass genetische Unterschiede z. B. in den Signalwegen der Zellzykluskontrolle und der DNA-Reparatur nach therapieinduzierten DNA-Schäden eine entscheidende Rolle bei der Zweittumorentwicklung spielen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 20 Personen, die eine Krebserkrankung in der Kindheit überlebten und einen unabhängigen Zweittumor entwickelten, mit 20 gematchten Kontrollpersonen ohne Zweittumorentwicklung verglichen. Die primären Fibroblasten der Patienten wurden auf somatische, genetische und/oder epigenetische Unterschiede in DNA-Reparaturnetzwerken untersucht. Die biologisch relevantesten Ergebnisse lieferten Proteinuntersuchungen mittels Antikörper-Microarrays. Hierbei wurde eine konstitutiv erniedrigte Menge an RAD9A und einigen anderen DNA-Reparatur-Proteinen (BRCA1, DDIT3, MSH6, p53, RAD51) in den Zweittumorpatienten im Vergleich zu den Eintumorpatienten festgestellt. Nach einer DNA-Schädigung durch 1 Gray Bestrahlung erhöhte sich die RAD9A-Proteinmenge, wobei die Zweittumorpatienten eine geringere Induktion als die Eintumorpatienten zeigten. Bei der Quantifizierung der mRNA-Expression mittels RTq-PCR wurde ein niedrigerer RAD9A-mRNA-Level sowohl in den unbehandelten und als auch in den 1 Gray bestrahlten Zellen der Zweittumorpatienten festgestellt. SNP-Array und Methylierungsanalysen konnten keine Auffälligkeiten im RAD9A-Lokus nachweisen. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass Modulationen von RAD9A und anderen Zellzyklusarrest- und DNA-Reparaturproteinen zum Risiko einer Zweittumorentwicklung in Kinderkrebspatienten beitragen. Bei einem diskordanten monozygoten Zwillingspaar wurde in ca. 20% der Zellen des Zweittumorzwillings eine Hypermethylierung des Tumorsuppressorgens BRCA1 festgestellt, die mit einer konstitutiv erniedrigten BRCA1-Proteinexpression einhergeht und einen möglichen Krebsrisikofaktor darstellt. Die partielle Deletion des Gens RSPO3, die wahrscheinlich als somatisches Zellmosaik beim Zweittumorzwilling vorliegt, korreliert mit einer niedrigeren RSPO3-mRNA-Expression und ist vermutlich auch mit einer erhöhten Krebsprädisposition assoziiert.

DNA-Reparatur und Zelltod nach gentoxischem Stress in Monozyten, dendritischen Zellen und Makrophagen

Monozyten wie auch dendritische Zellen (DCs) und Makrophagen sind ein wichtiger Bestandteil des angeborenenen unspezifischen Immunsystems. Ein Kennzeichen dieser Zellen ist die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) zur Abtötung von Pathogenen. Im Fall von chronischen Entzündungen oder Infekten kann es zu einer explosionsartigen Freisetzung freier Radikale kommen ('Oxidative Burst'). Aus vorangegangenen Untersuchungen war bekannt, dass die Expression der beiden Basen Exziosions Reparatur (BER)-Proteine XRCC1 und Ligase III während der Ausreifung humaner Monozyten zu DCs induziert wird (Briegert and Kaina, 2007). Dies lies vermuten, dass Monozyten aufgrund einer defekten BER eine hohe Sensitivität gegenüber ROS aufweisen. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurde die Wirkung von ROS auf humane Monozyten und daraus abgeleiteten DCs und Makrophagen untersucht. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Monozyten eine hohe Sensitivität gegenüber oxidativem Stress aufweisen, was auf eine höhere Einzelstrangbruch-Rate zurückzuführen war. Ursache hierfür ist das Fehlen der BER-Proteine XRCC1, Ligase III und PARP-1. Die fehlende Expression dieser Proteine resultierte letztendlich in Monozyten in einem Defekt der BER und DNA-Einzelstrangbruchreparatur. rnDie Proteine XRCC1, Ligase III und PARP-1 sind auch Bestandteil des Apparats des B-NHEJ ('backup-non homologous end joining'), was auf eine Beeinträchtigung der Monozyten hinsichtlich der Prozessierung von Doppelstrangbrüchen (DSBs) schließen lässt. Zur Untersuchung dieser Vermutung, wurde die Wirkung von Ionisierender Strahlung ('ionizing radiation'; IR) auf Monozyten, DCs und Makrophagen bestimmt. Monozyten zeigten eine signifikant höhere Sensitivität gegenüber IR als DCs und Makrophagen, was auf eine erhöhte DSB-Rate in den Monozyten nach IR zurückzuführen war. Expressionsanalysen und ein DNA-PK-Aktivitäts-Assay zeigten zusätzlich, dass Monozyten keine DNA-PKcs, ein bedeutender Faktor des C-NHEJ, exprimieren. Somit haben Monozyten sowohl einen Defekt im B-NHEJ als auch im C-NHEJ und sind demnach nicht in der Lage, DSBs zu reparieren.rnAuch gegenüber dem Alkylanz und Chemotherapeutikum Temozolomid bewirken die Reparaturdefekte eine hohe Sensitivität der Monozyten. Zur Therapie von Hirntumoren werden neben der Operation, die Bestrahlung und Chemotherapie mit Temozolomid angewendet. Die hohe Sensitivität von Monozyten gegenüber IR und Temozolomid könnte eine Erklärung für die starke Immunsuppression bei einer derartigen Therapie sein.rn

Stimulation of human 8-oxoguanine-DNA glycosylase by AP-endonuclease: potential coordination of the initial steps in base excision repair

8-Oxoguanine-DNA glycosylase 1 (OGG1), with intrinsic AP lyase activity, is the major enzyme for repairing 7,8-dihydro-8-oxoguanine (8-oxoG), a critical mutagenic DNA lesion induced by reactive oxygen species. Human OGG1 excised the damaged base from an 8-oxoG·C-containing duplex oligo with a very low apparent kcat of 0.1 min–1 at 37°C and cleaved abasic (AP) sites at half the rate, thus leaving abasic sites as the major product. Excision of 8-oxoG by OGG1 alone did not follow Michaelis–Menten kinetics. However, in the presence of a comparable amount of human AP endonuclease (APE1) the specific activity of OGG1 was increased ∼5-fold and Michaelis–Menten kinetics were observed. Inactive APE1, at a higher molar ratio, and a bacterial APE (Nfo) similarly enhanced OGG1 activity. The affinity of OGG1 for its product AP·C pair (Kd ∼ 2.8 nM) was substantially higher than for its substrate 8-oxoG·C pair (Kd ∼ 23.4 nM) and the affinity for its final β-elimination product was much lower (Kd ∼ 233 nM). These data, as well as single burst kinetics studies, indicate that the enzyme remains tightly bound to its AP product following base excision and that APE1 prevents its reassociation with its product, thus enhancing OGG1 turnover. These results suggest coordinated functions of OGG1 and APE1, and possibly other enzymes, in the DNA base excision repair pathway.

Abortive base-excision repair of radiation-induced clustered DNA lesions in Escherichia coli

It has been postulated that ionizing radiation produces a unique form of cellular DNA damage called “clustered damages” or “multiply damaged sites”. Here, we show that clustered DNA damages are indeed formed in Escherichia coli by ionizing radiation and are converted to lethal double-strand breaks during attempted base-excision repair. In wild-type cells possessing the oxidative DNA glycosylases that cleave DNA at repairable single damages, double-strand breaks are formed at radiation-induced clusters during postirradiation incubation and also in a dose-dependent fashion. E. coli mutants lacking these enzymes do not form double-strand breaks postirradiation and are substantially more radioresistant than wild-type cells. Furthermore, overproduction of one of the oxidative DNA glycosylases in mutant cells confers a radiosensitive phenotype and an increase in the number of double-strand breaks. Thus, the effect of the oxidative DNA glycosylases in potentiating DNA damage must be considered when estimating radiation risk.

Chemical synthesis of isotopically labelled (M+4) purine nucleosides and their incorporation into DNA oligomers

Development of accurate and sensitive analytical methods to measure the level of biomarkers, such as 8-oxo-guanine or its corresponding nucleoside, 8-oxo-2’-deoxyguanosine, has become imperative in the study of DNA oxidative damage in vivo. Of the most promising techniques, HPLC-MS/MS, has many attractive advantages. Like any method that employs the MS technique, its accuracy depends on the use of multiply, isotopically-labelled internal standards. This project is aimed at making available such internal standards. The first task was to synthesise the multiply, isotopically-labelled bases (M+4) guanine and (M+4) 8-oxo-guanine. Synthetic routes for both (M+4) guanine and (M+4) 8-oxo-guanine were designed and validated using the unlabelled compounds. The reaction conditions were also optimized during the “dry runs”. The amination of the 4-hydroxy-2,6-dichloropyrimidine, appeared to be very sensitive to the purity of the commercial [15]N benzylamine reagent. Having failed, after several attempts, to obtain the pure reagent from commercial suppliers, [15]N benzylamine was successfully synthesised in our laboratory and used in the first synthesis of (M+4) guanine. Although (M+4) bases can be, and indeed have been used as internal standards in the quantitative analysis of oxidative damage, they can not account for the errors that may occur during the early sample preparation stages. Therefore, internal standards in the form of nucleosides and DNA oligomers are more desirable. After evaluating a number of methods, an enzymatic transglycolization technique was adopted for the transfer of the labelled bases to give their corresponding nucleosides. Both (M+4) 2-deoxyguanosine and (M+4) 8-oxo-2’-deoxyguanosine can be purified on micro scale by HPLC. The challenge came from the purification of larger scale (>50 mg) synthesis of nucleosides. A gel filtration method was successfully developed, which resulted in excellent separation of (M+4) 2’-deoxyguanosine from the incubation mixture. The (M+4) 2’-deoxyguanosine was then fully protected in three steps and successfully incorporated, by solid supported synthesis, into a DNA oligomer containing 18 residues. Thus, synthesis of 8-oxo-deoxyguanosine on a bigger scale for its future incorporation into DNA oligomers is now a possibility resulting from this thesis work. We believe that these internal standards can be used to develop procedures that can make the measurement of oxidative DNA damage more accurate and sensitive.

Instability of CTG Repeats is Governed by the Position of a DNA Base Lesion through Base Excision Repair

Trinucleotide repeat (TNR) expansions and deletions are associated with human neurodegeneration and cancer. However, their underlying mechanisms remain to be elucidated. Recent studies have demonstrated that CAG repeat expansions can be initiated by oxidative DNA base damage and fulfilled by base excision repair (BER), suggesting active roles for oxidative DNA damage and BER in TNR instability. Here, we provide the first evidence that oxidative DNA damage can induce CTG repeat deletions along with limited expansions in human cells. Biochemical characterization of BER in the context of (CTG)20 repeats further revealed that repeat instability correlated with the position of a base lesion in the repeat tract. A lesion located at the 59-end of CTG repeats resulted in expansion, whereas a lesion located either in the middle or the 39-end of the repeats led to deletions only. The positioning effects appeared to be determined by the formation of hairpins at various locations on the template and the damaged strands that were bypassed by DNA polymerase b and processed by flap endonuclease 1 with different efficiency. Our study indicates that the position of a DNA base lesion governs whether TNR is expanded or deleted through BER.

Mitochondrial DNA damage induced autophagy, cell death, and disease.

Mammalian mitochondria contain multiple small genomes. While these organelles have efficient base excision removal of oxidative DNA lesions and alkylation damage, many DNA repair systems that work on nuclear DNA damage are not active in mitochondria. What is the fate of DNA damage in the mitochondria that cannot be repaired or that overwhelms the repair system? Some forms of mitochondrial DNA damage can apparently trigger mitochondrial DNA destruction, either via direct degradation or through specific forms of autophagy, such as mitophagy. However, accumulation of certain types of mitochondrial damage, in the absence of DNA ligase III (Lig3) or exonuclease G (EXOG), can directly trigger cell death. This review examines the cellular effects of persistent damage to mitochondrial genomes and discusses the very different cell fates that occur in response to different kinds of damage.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Mechanism of “Autoacceleration” in the Thermal Oxidative Polymerization of R-Methylstyrene

Thermal oxidative polymerization of alpha-methylstyrene (AMS) has been studied at various temperatures(45-70 degrees C) and pressures (50-400 psi). Due to its high electron dense double bond, it undergoes thermal oxidative polymerization even at low temperatures fairly easily. The major products are poly(alpha-methylstyrene peroxide) (PMSP), and its decomposition products are acetophenone and formaldehyde. Above 45 degrees C the rate of polymerization increases sharply at a particular instant showing an ''autoacceleration'' with the formation of a knee point. The ''autoacceleration'' is supported from the fact that the plot, of R-p vs T shows a rapid rise, and the plot of ln R-p vs 1/T is non-Arrhenius. The occurrence of autoacceleration is explained on the basis of acetophenone-induced cleavage of PMSP during polymerization, generating more initiating alkoxy radicals, which subsequently leads to the rapid rise in the rate of polymerization. The mechanism of autoacceleration is supported by the change in. order, activation energy, and activation volume before and after the knee point.

The biological and structural characterization of Mycobacterium tuberculosis UvrA provides novel insights into its mechanism of action

Mycobacterium tuberculosis is an extremely well adapted intracellular human pathogen that is exposed to multiple DNA damaging chemical assaults originating from the host defence mechanisms. As a consequence, this bacterium is thought to possess highly efficient DNA repair machineries, the nucleotide excision repair (NER) system amongst these. Although NER is of central importance to DNA repair in M. tuberculosis, our understanding of the processes in this species is limited. The conserved UvrABC endonuclease represents the multi-enzymatic core in bacterial NER, where the UvrA ATPase provides the DNA lesion-sensing function. The herein reported genetic analysis demonstrates that M. tuberculosis UvrA is important for the repair of nitrosative and oxidative DNA damage. Moreover, our biochemical and structural characterization of recombinant M. tuberculosis UvrA contributes new insights into its mechanism of action. In particular, the structural investigation reveals an unprecedented conformation of the UvrB-binding domain that we propose to be of functional relevance. Taken together, our data suggest UvrA as a potential target for the development of novel anti-tubercular agents and provide a biochemical framework for the identification of small-molecule inhibitors interfering with the NER activity in M. tuberculosis.

Salmonella methylglyoxal detoxification by STM3117-encoded lactoylglutathione lyase affects virulence in coordination with Salmonella pathogenicity island 2 and phagosomal acidification

Intracellular pathogens such as Salmonella enterica serovar Typhimurium (S. Typhimurium) manipulate their host cells through the interplay of various virulence factors. A multitude of such virulence factors are encoded on the genome of S. Typhimurium and are usually organized in pathogenicity islands. The virulence-associated genomic stretch of STM3117-3120 has structural features of pathogenicity islands and is present exclusively in non-typhoidal serovars of Salmonella. It encodes metabolic enzymes predicted to be involved in methylglyoxal metabolism. STM3117-encoded lactoylglutathione lyase significantly impacts the proliferation of intracellular Salmonella. The deletion mutant of STM3117 (Delta lgl) fails to grow in epithelial cells but hyper-replicates in macrophages. This difference in proliferation outcome was the consequence of failure to detoxify methylglyoxal by Delta lgl, which was also reflected in the form of oxidative DNA damage and upregulation of kefB in the mutant. Within macrophages, the toxicity of methylglyoxal adducts elicits the potassium efflux channel (KefB) in the mutant which subsequently modulates the acidification of mutant-containing vacuoles (MCVs). The perturbation in the pH of the MCV milieu and bacterial cytosol enhances the Salmonella pathogenicity island 2 translocation in Delta lgl, increasing its net growth within macrophages. In epithelial cells, however, the maturation of Delta lgl-containing vacuoles were affected as these non-phagocytic cells maintain less acidic vacuoles compared to those in macrophages. Remarkably, ectopic expression of Toll-like receptors 2 and 4 on epithelial cells partially restored the survival of Delta lgl. This study identified a novel metabolic enzyme in S. Typhimurium whose activity during intracellular infection within a given host cell type differentially affected the virulence of the bacteria.

Lactoylglutathione lyase, a critical enzyme in methylglyoxal detoxification, contributes to survival of Salmonella in the nutrient rich environment

Glyoxalase I which is synonymously known as lactoylglutathione lyase is a critical enzyme in methylglyoxal (MG) detoxification. We assessed the STM3117 encoded lactoylglutathione lyase (Lgl) of Salmonella Typhimurium, which is known to function as a virulence factor, due in part to its ability to detoxify methylglyoxal. We found that STM3117 encoded Lgl isomerises the hemithioacetal adduct of MG and glutathione (GSH) into S-lactoylglutathione. Lgl was observed to be an outer membrane bound protein with maximum expression at the exponential growth phase. The deletion mutant of S. Typhimurium (lgl) exhibited a notable growth inhibition coupled with oxidative DNA damage and membrane disruptions, in accordance with the growth arrest phenomenon associated with typical glyoxalase I deletion. However, growth in glucose minimal medium did not result in any inhibition. Endogenous expression of recombinant Lgl in serovar Typhi led to an increased resistance and growth in presence of external MG. Being a metalloprotein, Lgl was found to get activated maximally by Co2+ ion followed by Ni2+, while Zn2+ did not activate the enzyme and this could be attributed to the geometry of the particular protein-metal complex attained in the catalytically active state. Our results offer an insight on the pivotal role of the virulence associated and horizontally acquired STM3117 gene in non-typhoidal serovars with direct correlation of its activity in lending survival advantage to Salmonella spp.