Marquage fluorescent des protéines pour étudier les enzymes protéolytiques solubles et immobilisées par la cartographie peptidique électrophorétique

La cartographie peptidique est une méthode qui permet entre autre d’identifier les modifications post-traductionnelles des protéines. Elle comprend trois étapes : 1) la protéolyse enzymatique, 2) la séparation par électrophorèse capillaire (CE) ou chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC) des fragments peptidiques et 3) l’identification de ces derniers. Cette dernière étape peut se faire par des méthodes photométriques ou par spectrométrie de masse (MS). Au cours de la dernière décennie, les enzymes protéolytiques immobilisées ont acquis une grande popularité parce qu’elles peuvent être réutilisées et permettent une digestion rapide des protéines due à un rapport élevé d’enzyme/substrat. Pour étudier les nouvelles techniques d’immobilisation qui ont été développées dans le laboratoire du Professeur Waldron, la cartographie peptidique par CE est souvent utilisée pour déterminer le nombre total de peptides détectés et leurs abondances. La CE nous permet d’avoir des séparations très efficaces et lorsque couplée à la fluorescence induite par laser (LIF), elle donne des limites de détection qui sont 1000 fois plus basses que celles obtenues avec l’absorbance UV-Vis. Dans la méthode typique, les peptides venant de l’étape 1) sont marqués avec un fluorophore avant l’analyse par CE-LIF. Bien que la sensibilité de détection LIF puisse approcher 10-12 M pour un fluorophore, la réaction de marquage nécessite un analyte dont la concentration est d’au moins 10-7 M, ce qui représente son principal désavantage. Donc, il n’est pas facile d’étudier les enzymes des peptides dérivés après la protéolyse en utilisant la technique CE-LIF si la concentration du substrat protéique initial est inférieure à 10-7 M. Ceci est attribué à la dilution supplémentaire lors de la protéolyse. Alors, afin d’utiliser le CE-LIF pour évaluer l’efficacité de la digestion par enzyme immobilisée à faible concentration de substrat,nous proposons d’utiliser des substrats protéiques marqués de fluorophores pouvant être purifiés et dilués. Trois méthodes de marquage fluorescent de protéine sont décrites dans ce mémoire pour étudier les enzymes solubles et immobilisées. Les fluorophores étudiés pour le marquage de protéine standard incluent le naphtalène-2,3-dicarboxaldéhyde (NDA), la fluorescéine-5-isothiocyanate (FITC) et l’ester de 6-carboxyfluorescéine N-succinimidyl (FAMSE). Le FAMSE est un excellent réactif puisqu’il se conjugue rapidement avec les amines primaires des peptides. Aussi, le substrat marqué est stable dans le temps. Les protéines étudiées étaient l’-lactalbumine (LACT), l’anhydrase carbonique (CA) et l’insuline chaîne B (INB). Les protéines sont digérées à l’aide de la trypsine (T), la chymotrypsine (CT) ou la pepsine (PEP) dans leurs formes solubles ou insolubles. La forme soluble est plus active que celle immobilisée. Cela nous a permis de vérifier que les protéines marquées sont encore reconnues par chaque enzyme. Nous avons comparé les digestions des protéines par différentes enzymes telles la chymotrypsine libre (i.e., soluble), la chymotrypsine immobilisée (i.e., insoluble) par réticulation avec le glutaraldéhyde (GACT) et la chymotrypsine immobilisée sur billes d’agarose en gel (GELCT). Cette dernière était disponible sur le marché. Selon la chymotrypsine utilisée, nos études ont démontré que les cartes peptidiques avaient des différences significatives selon le nombre de pics et leurs intensités correspondantes. De plus, ces études nous ont permis de constater que les digestions effectuées avec l’enzyme immobilisée avaient une bonne reproductibilité. Plusieurs paramètres quantitatifs ont été étudiés afin d’évaluer l’efficacité des méthodes développées. La limite de détection par CE-LIF obtenue était de 3,010-10 M (S/N = 2,7) pour la CA-FAM digérée par GACT et de 2,010-10 M (S/N = 4,3) pour la CA-FAM digérée par la chymotrypsine libre. Nos études ont aussi démontrées que la courbe d’étalonnage était linéaire dans la région de travail (1,0×10-9-1,0×10-6 M) avec un coefficient de corrélation (R2) de 0,9991.

Développement d’un microréacteur à base d’enzyme microencapsulée en vue d’un couplage en ligne à un système d’électrophorèse capillaire

Réalisé en codirection avec Karen C. Waldron et Dominic Rochefort.

Développement de papier bioactif par couchage à grande échelle d’enzymes immobilisées par microencapsulation

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG.

Inflammation, hepatic enzymes and resistance training in individuals with metabolic risk factors

AIMS: Increases in inflammatory markers, hepatic enzymes and physical inactivity are associated with the development of the metabolic syndrome (MetS). We examined whether inflammatory markers and hepatic enzymes are correlated with traditional risk factors for MetS and studied the effects of resistance training (RT) on these emerging risk factors in individuals with a high number of metabolic risk factors (HiMF, 2.9 +/- 0.8) and those with a low number of metabolic risk factors (LoMF, 0.5 +/- 0.5). METHODS: Twenty-eight men and 27 women aged 50.8 +/- 6.5 years (mean +/- sd) participated in the study. Participants were randomized to four groups, HiMF training (HiMFT), HiMF control (HiMFC), LoMF training (LoMFT) and LoMF control (LoMFC). Before and after 10 weeks of RT [3 days/week, seven exercises, three sets with intensity gradually increased from 40-50% of one repetition maximum (1RM) to 75-85% of 1RM], blood samples were obtained for the measurement of pro-inflammatory cytokines, C-reactive protein (CRP), gamma-glutamyltransferase (GGT) and alanine aminotransferase (ALT). RESULTS: At baseline, HiMF had higher interleukin-6 (33.9%), CRP (57.1%), GGT (45.2%) and ALT (40.6%) levels, compared with LoMF (all P < 0.05). CRP, GGT and ALT correlated with the number of risk factors (r = 0.48, 0.51 and 0.57, respectively, all P < 0.01) and with other anthropometric and clinical measures (r range from 0.26 to 0.60, P < 0.05). RT did not significantly alter inflammatory markers or hepatic enzymes (all P > 0.05). CONCLUSIONS: HiMF was associated with increased inflammatory markers and hepatic enzyme concentrations. RT did not reduce inflammatory markers and hepatic enzymes in individuals with HiMF.

A genetic analysis of serotonergic biosynthetic and metabolic enzymes in migraine using a DNA pooling approach

Migraine is a common debilitating primary headache disorder with significant mental, physical and social health implications. The brain neurotransmitter 5-hydroxytryptamine (5-HT; serotonin) is involved in nociceptive pathways and has been implicated in the pathophysiology of migraine. With few genetic studies investigating biosynthetic and metabolic enzymes governing the rate of 5-HT activity and their relationship to migraine, it was the objective of this study to assess genetic variants within the human tryptophan hydroxylase (TPH), amino acid decarboxylase (AADC) and monoamine oxidase A (MAOA) genes in migraine susceptibility. This objective was undertaken using a high-throughput DNA pooling experimental design, which proved to be a very accurate, sensitive and specific method of estimating allele frequencies for single nucleotide polymorphism, insertion deletion and variable number tandem repeat loci. Application of DNA pooling to a wide array of genetic loci provides greater scope in the assessment of population-based genetic association study designs. Despite the application of this high-throughput genotyping method, negative results from the two-stage DNA pooling design used to screen loci within the TPH, AADC and MAOA genes did not support their role in migraine susceptibility.

The expression of HAT and HDAC enzymes in asthma airways

Asthma is chronic inflammatory disease of the lower airways that is both, genetically inherited and environmentally influenced. This project investigated how molecular mechanisms known to be influenced both genetically and environmentally, contribute to the onset of asthma.

Head and neck squamous-cell cancer and its association with polymorphic enzymes of xenobiotic metabolism and repair

Tobacco smoking, alcohol drinking, and occupational exposures to polycyclic aromatic hydrocarbons are the major proven risk factors for human head and neck squamous-cell cancer (HNSCC). Major research focus on gene-environment interactions concerning HNSCC has been on genes encoding enzymes of metabolism for tobacco smoke constituents and repair enzymes. To investigate the role of genetically determined individual predispositions in enzymes of xenobiotic metabolism and in repair enzymes under the exogenous risk factor tobacco smoke in the carcinogenesis of HNSCC, we conducted a case-control study on 312 cases and 300 noncancer controls. We focused on the impact of 22 sequence variations in CYP1A1, CYP1B1, CYP2E1, ERCC2/XPD, GSTM1, GSTP1, GSTT1, NAT2, NQO1, and XRCC1. To assess relevant main and interactive effects of polymorphic genes on the susceptibility to HNSCC we used statistical models such as logic regression and a Bayesian version of logic regression. In subgroup analysis of nonsmokers, main effects in ERCC2 (Lys751Gln) C/C genotype and combined ERCC2 (Arg156Arg) C/A and A/A genotypes were predominant. When stratifying for smokers, the data revealed main effects on combined CYP1B1 (Leu432Val) C/G and G/G genotypes, followed by CYP1B1 (Leu432Val) G/G genotype and CYP2E1 (-70G>T) G/T genotype. When fitting logistic regression models including relevant main effects and interactions in smokers, we found relevant associations of CYP1B1 (Leu432Val) C/G genotype and CYP2E1 (-70G>T) G/T genotype (OR, 10.84; 95% CI, 1.64-71.53) as well as CYP1B1 (Leu432Val) G/G genotype and GSTM1 null/null genotype (OR, 11.79; 95% CI, 2.18-63.77) with HNSCC. The findings underline the relevance of genotypes of polymorphic CYP1B1 combined with exposures to tobacco smoke.

Interactions of ingested food, beverage, and tobacco components involving human cytochrome P4501A2, 2A6, 2E1, and 3A4 enzymes

Human cytochrome P450 (P450) enzymes are involved in the oxidation of natural products found in foods, beverages, and tobacco products and their catalytic activities can also be modulated by components of the materials. The microsomal activation of aflatoxin B1 to the exo-3,9-epoxide is stimulated by flavone and 7,8-benzoflavone, and attenuated by the flavonoid naringenin, a major component of grapefruit. P4502E1 has been demonstrated to play a potentially major role in the activation of a number of very low-molecular weight cancer suspects, including ethyl carbamate (urethan), which is present in alcoholic beverages and particularly stone brandies. The enzyme (P4502E1) is also known to be inducible by ethanol. Tobacco contains a large number of potential carcinogens. In human liver microsomes a significant role for P4501A2 can be demonstrated in the activation of cigarette smoke condensate. Some of the genotoxicity may be due to arylamines. P4501A2 is also inhibited by components of crude cigarette smoke condensate. The tobacco-specific nitrosamines are activated by a number of P450 enzymes. Of those known to be present in human liver, P4501A2, 2A6, and 2E1 can activate these nitrosamines to genotoxic products.

Activation of toxic chemicals by cytochrome P450 enzymes : regio- and stereoselective oxidation of aflatoxin B1

Cytochrome P450 (P450) enzymes are involved in the oxidations of numerous steroids, eicosanoids, alkaloids, and other endogenous substrates. These enzymes are also the major ones involved in the oxidation of potential toxicants and carcinogens such as those encountered among pollutants, solvents, and pesticides, as well as many natural products. A proper understanding of the basic mechanisms by which the P450 enzymes oxidize such compounds is important in developing rational strategies for the evaluation of the risks of these compounds.