Mécanisme de ciblage des prohormones convertases vers les granules de sécrétion denses

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Rôle de l'estérification des acides gras dans la régulation de la sécrétion d'insuline et le stress métabolique induits par le glucose

Le diabète est une maladie chronique de l’homéostasie du glucose caractérisée par une hyperglycémie non contrôlée qui est le résultat d’une défaillance de la sécrétion d’insuline en combinaison ou non avec une altération de l’action de l’insuline. La surnutrition et le manque d’activité physique chez des individus qui ont des prédispositions génétiques donnent lieu à la résistance à l’insuline. Pendant cette période dite de compensation où la concentration d’acides gras plasmatiques est élevée, l’hyperinsulinémie compense pleinement pour la résistance à l’insuline des tissus cibles et la glycémie est normale. Le métabolisme du glucose par la cellule pancréatique bêta entraîne la sécrétion d’insuline. Selon le modèle classique de la sécrétion d’insuline induite par le glucose, l’augmentation du ratio ATP/ADP résultant de la glycolyse et de l’oxydation du glucose, induit la fermeture des canaux KATP-dépendant modifiant ainsi le potentiel membranaire suivi d’un influx de Ca2+. Cet influx de Ca2+ permet l’exocytose des granules de sécrétion contenant l’insuline. Plusieurs nutriments comme les acides gras sont capables de potentialiser la sécrétion d’insuline. Cependant, le modèle classique ne permet pas d’expliquer cette potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Pour expliquer l’effet potentialisateur des acides gras, notre laboratoire a proposé un modèle complémentaire où le malonyl-CoA dérivé du métabolisme anaplérotique du glucose inhibe la carnitine palmitoyltransférase-1, l’enzyme qui constitue l’étape limitante de l’oxydation des acides gras favorisant ainsi leur estérification et donc la formation de dérivés lipidiques signalétiques. Le modèle anaplérotique/lipidique de la sécrétion d'insuline induite par le glucose prédit que le malonyl-CoA dérivé du métabolisme du glucose inhibe la bêta-oxydation des acides gras et augmente la disponibilité des acyl-CoA ou des acides gras non-estérifiés. Les molécules lipidiques agissant comme facteurs de couplage du métabolisme des acides gras à l'exocytose d'insuline sont encore inconnus. Des travaux réalisés par notre laboratoire ont démontré qu’en augmentant la répartition des acides gras vers la bêta-oxydation, la sécrétion d’insuline induite par le glucose était réduite suggérant qu’un des dérivés de l’estérification des acides gras est important pour la potentialisation sur la sécrétion d’insuline. En effet, à des concentrations élevées de glucose, les acides gras peuvent être estérifiés d’abord en acide lysophosphatidique (LPA), en acide phosphatidique (PA) et en diacylglycérol (DAG) et subséquemment en triglycérides (TG). La présente étude a établi l’importance relative du processus d’estérification des acides gras dans la production de facteurs potentialisant la sécrétion d’insuline. Nous avions émis l’hypothèse que des molécules dérivées des processus d’estérification des acides gras (ex : l’acide lysophosphatidique (LPA) et le diacylglycerol (DAG)) agissent comme signaux métaboliques et sont responsables de la modulation de la sécrétion d’insuline en présence d’acides gras. Afin de vérifier celle-ci, nous avons modifié le niveau d’expression des enzymes clés contrôlant le processus d’estérification par des approches de biologie moléculaire afin de changer la répartition des acides gras dans la cellule bêta. L’expression des différents isoformes de la glycérol-3-phosphate acyltransférase (GPAT), qui catalyse la première étape d’estérification des acides gras a été augmenté et inhibé. Les effets de la modulation de l’expression des isoenzymes de GPAT sur les processus d’estérifications, sur la bêta-oxydation et sur la sécrétion d’insuline induite par le glucose ont été étudiés. Les différentes approches que nous avons utilisées ont changé les niveaux de DAG et de TG sans toutefois altérer la sécrétion d’insuline induite par le glucose. Ainsi, les résultats de cette étude n’ont pas associé de rôle pour l’estérification de novo des acides gras dans leur potentialisation de la sécrétion d’insuline. Cependant, l’estérification des acides gras fait partie intégrante d’un cycle de TG/acides gras avec sa contrepartie lipolytique. D’ailleurs, des études parallèles à la mienne menées par des collègues du laboratoire ont démontré un rôle pour la lipolyse et un cycle TG/acides gras dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Parallèlement à nos études des mécanismes de la sécrétion d’insuline impliquant les acides gras, notre laboratoire s’intéresse aussi aux effets négatifs des acides gras sur la cellule bêta. La glucolipotoxicité, résultant d’une exposition chronique aux acides gras saturés en présence d’une concentration élevée de glucose, est d’un intérêt particulier vu la prépondérance de l’obésité. L’isoforme microsomal de GPAT a aussi utilisé comme outil moléculaire dans le contexte de la glucolipotoxicité afin d’étudier le rôle de la synthèse de novo de lipides complexes dans le contexte de décompensation où la fonction des cellules bêta diminue. La surexpression de l’isoforme microsomal de la GPAT, menant à l’augmentation de l’estérification des acides gras et à une diminution de la bêta-oxydation, nous permet de conclure que cette modification métabolique est instrumentale dans la glucolipotoxicité.

Déterminants du mécanisme de ciblage de la proprotéine convertase PC5-A vers la voie de sécrétion régulée

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Déterminants du mécanisme de ciblage de la proprotéine convertase PC5-A vers la voie de sécrétion régulée

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Characterization of the molecular mechanisms of insulin exocytosis and of their adaptation to physiopathological conditions

Résumé large public Le glucose est une source d'énergie essentielle pour notre organisme, indispensable pour le bon fonctionnement des cellules de notre corps. Les cellules β du pancréas sont chargées de réguler l'utilisation du glucose et de maintenir la glycémie (taux de glucose dans le sang) à un niveau constant. Lorsque la glycémie augmente, ces dernières sécrètent l'insuline, une hormone favorisant l'absorption, l'utilisation et le stockage du glucose. Une sécrétion insuffisante d'insuline provoque une élévation anormale du taux de glucose dans le sang (hyperglycémie) et peut mener au développement du diabète sucré. L'insuline est sécrétée dans le sang par un mécanisme particulier appelé exocytose. Une meilleure compréhension de ce mécanisme est nécessaire dans l'espoir de trouver des nouvelles thérapies pour traiter les 170 millions de personnes atteintes de diabète sucré à travers le monde. L'implication de diverses protéines, comme les SNAREs ou Rabs a déjà été démontrée. Cependant leurs mécanismes d'action restent, à ce jour, peu compris. De plus, l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des conditions physiopathologiques, comme l'hyperglycémie, est encore à élucider. Le but de mon travail de thèse a été de clarifier le rôle de deux protéines, Noc2 et Tomosyn, dans l'exocytose ; puis de déterminer les effets d'une exposition prolongée à un taux élevé de glucose sur l'ensemble des protéines de la machinerie d'exocytose. Noc2 est un partenaire potentiel de deux Rabs connues pour leur implication dans les dernières étapes de l'exocytose, Rab3 et Rab27. Grâce à l'étude de différents mutants de Noc2, j'ai montré que l'interaction avec Rab27 permet à la protéine de s'associer avec les organelles de la cellule β contenant l'insuline. De plus, en diminuant sélectivement l'expression de Noc2, j'ai déterminé l'importance de cette protéine pour le bon fonctionnement du processus d'exocytose et le relâchement de l'insuline. Quant à Tomosyn, une protéine interagissant avec les protéines SNAREs, j'ai démontré son importance dans la sécrétion d'insuline en diminuant de manière sélective son expression dans les cellules β. Ensuite, grâce à une combinaison d'approches moléculaires et de microscopie, j'ai mis en évidence le rôle de Tomosyn dans les dernières étapes de l'exocytose. Enfin, puisque la sécrétion d'insuline est diminuée lors d'une hyperglycémie prolongée, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à ces conditions. Ceci m'a permis de découvrir que l'expression de quatre protéines essentielles pour le processus d'exocytose, Noc2, Rab3, Rab27 et Granuphilin, est fortement diminuée lors d'une hyperglycémie chronique. L'ensemble de ces données met en évidence l'importance de Noc2 et Tomosyn dans la sécrétion d'insuline. L'inhibition, par un taux élevé de glucose, de l'expression de Noc2 et d'autres protéines indispensables pour l'exocytose suggère que ce phénomène pourrait contribuer au développement du diabète sucré. Résumé L'exocytose d'insuline, en réponse au glucose circulant dans le sang, est la fonction principale de la cellule β. Celle-ci permet de stabiliser le taux de glucose sanguin (glycémie). Le diabète de type 2 est caractérisé par une glycémie élevée due, principalement, à un défaut de sécrétion d'insuline en réponse au glucose. La compréhension des mécanismes qui contrôlent l'exocytose d'insuline est essentielle pour clarifier les causes du diabète sucré. Plusieurs composants impliqués dans ce processus ont été identifiés. Ceux-ci incluent les SNAREs Syntaxin-1, VAMP2 et SNAP25 et les GTPases Rab3 et Rab27 qui jouent un rôle dans les dernières étapes de l'exocytose. Pendant mon travail de thèse, j'ai étudié le rôle de Noc2, un des partenaires de Rab3 et Rab27, dans l'exocytose d'insuline. Nous avons déterminé que Noc2 s'associe aux granules de sécrétion d'insuline grâce à son interaction avec Rab27. La diminution de l'expression de Noc2 dans la lignée cellulaire β INS-1E, par ARN interférence, influence négativement la sécrétion d'insuline stimulée par différents sécrétagogues et prouve que cette protéine Noc2 est essentielle pour l'exocytose d'insuline. L'interaction avec Munc13, une protéine impliquée dans l'arrimage des vésicules, suggère que Noc2 participe au recrutement des granules d'insuline à la membrane plasmique. Ensuite, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des concentrations supraphysiologiques de glucose. Le niveau d'expression de Rab3 et Rab27 et de leurs effecteurs Granuphilin/S1p4 et Noc2 est fortement diminué par une exposition prolongée des cellules β à haut glucose. L'effet observé est en relation avec l'induction de l'expression de ICER, un facteur de transcription surexprimé dans des conditions d'hyperglycémie et également dans des modèles génétiques de diabète de type 2. La surexpression de ICER dans des cellules INS-1E diminue l'expression de Rab3, Rab27, Granuphilin/Slp4 et Noc2 et par conséquent l'exocytose d'insuline. Ainsi, l'induction de ICER, après une exposition prolongée à haut glucose, régule négativement l'expression de protéines essentielles pour l'exocytose et altère la sécrétion d'insuline. Ce mécanisme pourrait contribuer au dysfonctionnement de l'exocytose d'insuline dans le diabète de type 2. Dans la dernière partie de ma thèse, j'ai investigué le rôle de la protéine Tomosyn-1 dans la formation du complexe SNARE. Cette protéine a une forte affinité pour Syntaxin-1 et contient un domaine SNARE. Tomosyn-1 est concentrée dans les régions cellulaires enrichies en granules de sécrétion. La diminution sélective de l'expression de Tomosyn-1 induit une réduction de l'exocytose stimulée par différents sécrétagogues. Cet effet est dû à un défaut de fusion des granules avec la membrane plasmique. Ceci nous indique que Tomosyn-1 intervient dans une phase importante de la préparation des vésicules à la fusion, qui est nécessaire à l'exocytose. Abstract: Insulin exocytosis from pancreatic β-cells plays a central role in blood glucose homeostasis. Diabetes mellitus is a complex metabolic disorder characterized by secretory dysfunctions in pancreatic β-cells and release of amounts of insulin that are inappropriate to maintain blood glucose concentration within normal physiological ranges. To define the causes of β-cell failure a basic understanding of the molecular mechanisms that control insulin exocytosis is essential. Some of the molecular components involved in this process have been identified, including the SNARE proteins VAMP2, Syntaxin-1 and SNAP25 and the two GTPases, Rab3 and Rab27, that regulate the final steps of insulin secretion. I first investigated the role of Noc2, a potential Rab3 and Rab27 partner, in insulin secretion. I found that Noc2 associates with Rab27 and is recruited by this GTPase on insulin- containing granules. Silencing of the Noc2 gene by RNA interference led to a strong impairment in the capacity of the β-cell line INS-1E to respond to secretagogues, indicating that appropriate levels of the protein are essential for insulin exocytosis. I also showed that Noc2 interacts with Munc13, a protein that controls vesicle priming, suggesting a possible involvement of Noc2 in the recruitment of secretory granules at the plasma membrane. In the second part of my thesis, I investigated the adaptation of the molecular machinery of exocytosis to physiopathological conditions. I found that the expression of Rab3, Rab27 and of their effectors Granuphilin/Slp4 and Noc2 is dramatically decreased by chronic exposure of β-ce1ls to supraphysiological glucose levels. The observed glucotoxic effect is a consequence of the induction of ICER, a transcriptional repressor that is increased by prolonged hyperglycemia and in genetic models of type 2 diabetes. Overexpression of ICER reduced Granuphilin, Noc2, Rab3 and Rab27 levels and inhibited exocytosis. These results suggest that the presence of inappropriate levels of ICER diminishes the expression of a group of proteins essential for exocytosis and contributes to defective insulin release in type 2 diabetes. In the last part of my thesis, I focused my attention on the role of Tomosyn-1, a Syntaxin-1 binding protein possessing a SNARE-like motif, in the control of SNARE complex assembly. I found that Tomosyn-1 is concentrated in cellular compartments enriched in insulin-containing secretory granules. Silencing of Tomosyn-1 did not affect the number of secretory granules docked at the plasma membrane but decreased their release probability, resulting in a reduction in stimulus-induced insulin exocytosis. These findings suggest that Tomosyn-1 is involved in a post-docking event that prepares secretory granules for fusion and is necessary to sustain exocytosis in response to insulin secretagogues.

Mécanismes moléculaires de la sécrétion d'insuline : implication de Slac2c/MyRIP, protéine effectrice de Rab27a, et rôle des phosphoinositides dans le processus d'exocytose

Résumé : La sécrétion de l'insuline en réponse au glucose circulant dans le sang est la fonction principale de la cellule β. La perte de cette fonction est une des caractéristiques du diabète de type 2. L'exocytose est une fonction cellulaire indispensable au renouvellement des composants lipidiques et protéiques de la membrane cellulaire, à la communication entre les cellules et au maintien d'un environnement adéquat. On peut distinguer deux types d'exocytose : l'exocytose constitutive et l'exocytose régulée. Cette dernière est déclenchée par des stimuli externes. L'exocytose régulée est contrôlée au niveau de la fusion des vésicules de sécrétion avec la membrane plasmique. Certains composants moléculaires impliqués dans ce processus font partie de la famille des GTPases Rab. Les deux membres de cette famille impliqués sont Rab3 et Rab27. Nous avons étudié le rôle de la GTPase Rab27 dans les cellules INS-1E, une lignée cellulaire pancréatique β qui sécrète de l'insuline de façon régulée. Nous avons trouvé que la diminution d'expression de la protéine en utilisant le technique de « RNA interference » diminue la sécrétion stimulée, mais que la distribution des granules n'est nullement affectées par ce changement d'activité intrinsèque. Un des effecteurs identifiés de cette GTPase est Slac2c/MyRIP. Cette protéine possède plusieurs domaines fonctionnels dont un qui lui permet de se lier à l'actine, constituant du cytosquelette cellulaire. L'ensemble de nos résultats suggèrent que Rab27 et MyRIP font partie d'un complexe permettant l'interaction de la granule de sécrétion avec le cytosquelette d'actine corticale et participent à la régulation des dernières étapes de l'exocytose d'insuline. Ensuite, nous avons étudié les phosphoinositides (PI). Les phosphoinositides sont d'importantes molécules impliquées dans le régulation du trafic vésiculaire. Nous avons trouvé que le phosphatidylinosito1-4-phosphate (PI4P) et le phosphatidylinositol-4,5-biphosphate (PI(4,5)P2) augmentent la sécrétion sous l'action de 10µM de Ca2+ dans les cellules INS-1E perméabilisées avec la streptolysine-O. En plus, nous avons démontré que l'exocytose est diminuée dans les cellules intactes exprimant une protéine qui séquestre le PI(4,5)P2. Une diminution similaire est observée en diminuant l'expression de deux enzymes impliquées dans la production du PI(4,5)P2, la PI4Kinase β type III et la PIP5Kinase γ type I. Pour clarifier le mécanisme d'action des PI, nous avons investigué l'implication de trois cibles potentielles des PI, la PLD1, CAPS1 et Mint1. Pour ce faire, nous avons réduit le niveau d'expression endogène de ces protéines, ce qui inhibe la libération d'hormones provoquée par le glucose. Tout ceci indique donc que la production du PI(4,5)P2 est nécessaire pour le contrôle de la sécrétion et suggère qu'une partie de l'effet du PI sur la sécrétion pourrait être exercé par l'activation de la PLD1, CAPS1 et Mint1. Abstract Insulin release from pancreatic β-cells plays an essential role in the achievement of blood glucose homeostasis and defects in the regulation of this process lead to profound metabolic disorders and hyperglycaemia (eg. type 2 diabetes). Almost every cell in our organism releases proteins and other biological compounds using a fundamental cellular process known as constitutive exocytosis. In exocrine and endocrine glands, the cells are endowed with an additional and more refined release mechanism directly tuned by extracellular signals. This process, referred to as regulated exocytosis, ensures the timely delivery of molecules such as peptide hormones and digestive enzymes to match the moment¬-to-moment requirements of the organism. Some of the molecular components involved in this process have been identified, including Rab3 and Rab27, two GTPases that regulate the final steps of secretion in many cells. We investigated the involvement of Rab27 GTPase in the secretory process of the insulin-secreting cell line INS-1E. We found that selective reduction of Rab27 expression by RNA interference did not alter granule distribution but impaired exocytosis triggered by insulin secretagogues. Screening for potential effectors revealed that Slac2c/MyRIP is associated with granules and attenuation of Slac2c expression severely impaired hormone release. This protein contains several functional domains, including, a binding domain for the cellular cytoskeleton constituent actin. Taken together our data suggest the Rab27 and MyRIP are part of a complex mediating the interaction of secretory granules with cortical cytoskeleton and participate to the regulation of the final steps in insulin exoctytosis. In the second part of the thesis, we studied phosphoinositides (PI). Phosphoinositides are important molecules involved in the regulation of vesicular trafficking. We found that phosphatidylinosito1-4-phosphate (PI4P) and phosphatidylinosito1-4,5-biphosphate (PI(4,5)P2) increase the secretory response triggered by 10µM Ca2+ in streptolysin-O permeabilized insulin-secreting INS-1E cells. In addition, nutrient-induced exocytosis was diminished in intact cells expressing constructs that sequester PI(4,5)P2. A similar decrease was observed after silencing of two enzymes involved in PI(4,5)P2 production, type III PI4Kinase β and type I PIP5Kinase γ, by RNA interference. To clarify the mechanism of action of PI, we investigated the involvement in the regulation of exocytosis of three potential PI targets, PLD1, CAPS1 and Mint1. Transfection of cells with silencers capable of reducing the endogenous levels of these proteins inhibited hormone release elicited by glucose. Our data indicate that the production PI(4,5)P2 is necessary for proper control of p-cell secretion and suggest that at least part of the effects of PI on insulin exocytosis could be exerted through the activation of PLD1, CAPS1 and Mint1.

Distinct profiles of cytotoxic granules in memory CD8 T cells correlate with functions, differentiation stage, and antigen exposure

RAPPORT DE SYNTHÈSE : Les profils des granules cytotoxiques des cellules T CD8 mémoires sont corrélés à la fonction, à leur état de différentiation et à l'exposition à l'antigène. Les lymphocytes T-CD8 cytotoxiques exercent leur fonction antivirale et antitumorale surtout par la sécrétion des granules cytotoxiques. En général, ce sont l'activité de dégranulation et les granules cytotoxiques (contenant perforine et différentes granzymes) qui définissent les lymphocytes T-CD8 cytotoxiques. Dans cette étude, nous avons investigué l'expression de granzyme K par cytométrie en flux, en comparaison avec l'expression de granzyme A, granzyme B et de perforine. L'expression des granules cytotoxiques a été déterminée dans lymphocytes T-CD8 qui étaient spécifiques pour des différents virus, en particulier spécifique pour le virus d'influenza (flu), le virus Ebstein Barr (EBV), le virus de cytomégalie (CMV) et le virus de l'immunodéficience humaine (HIV). Nous avons observé une dichotomie entre l'expression du granzyme K et de la perforine dans les lymphocytes T-CD8 qui étaient spécifiques aux virus mentionnés. Les profils des lymphocytes T-CD8 spécifiques à flu étaient positifs soit pour granzyme A et granzyme K soit pour le granzyme K seul, mais dans l'ensemble négatifs pour perforine et granzyme B. Les cellules spécifiques à CMV étaient dans la plupart positives pour perforine, granzyme B et A, mais négatives pour le granzyme K. Les cellules spécifiques à EBV et HIV étaient dans la majorité positives pour granzyme A, B et K, et dans la moitié des cas négatives pour la perforine. Nous avons également analysé, selon les marqueurs de mémoire de CD45 et CD127, les profils de différentiation cellulaire: Les cellules avec les granules cytotoxiques contenant exclusivement le granzyme K, étaient associées à un état de différentiation précoce. Au contraire, les protéines cytolytiques perforine, granzyme A et B, correspondent à une différentiation avancée. En outre, les protéines perforine et granzyme B, mais pas les granzymes A et K, sont corrélées à une activité cytotoxique. Finalement, des changements dans l'exposition d'antigène in vitro et in vivo suivant une infection primaire d' HIV ou une vaccination modulent le profil de granules cytotoxiques. Ces résultats nous permettent d'étendre la compréhension de la relation entre les différents profils de granules cytotoxiques des lymphocytes T-CD8 et leur fonction, leur état de différentiation et l'exposition à l'antigène.

Étude de l'implication des navettes du pyruvate découlant du métabolisme mitochondrial du glucose dans la régulation de la sécrétion d'insuline par les cellules bêta pancréatiques

Le diabète est une maladie métabolique qui se caractérise par une résistance à l’insuline des tissus périphériques et par une incapacité des cellules β pancréatiques à sécréter les niveaux d’insuline appropriés afin de compenser pour cette résistance. Pour mieux comprendre les mécanismes déficients dans les cellules β des patients diabétiques, il est nécessaire de comprendre et de définir les mécanismes impliqués dans le contrôle de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Dans les cellules β pancréatiques, le métabolisme du glucose conduit à la production de facteurs de couplage métabolique, comme l’ATP, nécessaires à la régulation de l’exocytose des vésicules d’insuline. Le mécanisme par lequel la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose déclenche l’exocytose des vésicules d’insuline est bien décrit dans la littérature. Cependant, il ne peut à lui seul réguler adéquatement la sécrétion d’insuline. Le malonyl-CoA et le NADPH sont deux autres facteurs de couplage métaboliques qui ont été suggérés afin de relier le métabolisme du glucose à la régulation de la sécrétion d’insuline. Les mécanismes impliqués demeurent cependant à être caractérisés. Le but de la présente thèse était de déterminer l’implication des navettes du pyruvate, découlant du métabolisme mitochondrial du glucose, dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans les cellules β, les navettes du pyruvate découlent de la combinaison des processus d’anaplérose et de cataplérose et permettent la transduction des signaux métaboliques provenant du métabolisme du glucose. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés au rôle de la navette pyruvate/citrate dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose, puisque cette navette conduit à la production dans le cytoplasme de deux facteurs de couplage métabolique, soit le malonyl-CoA et le NADPH. De plus, la navette pyruvate/citrate favorise le flux métabolique à travers la glycolyse en réoxydation le NADH. Une étude effectuée précédemment dans notre laboratoire avait suggéré la présence de cette navette dans les cellules β pancréatique. Afin de tester notre hypothèse, nous avons ciblé trois étapes de cette navette dans la lignée cellulaire β pancréatique INS 832/13, soit la sortie du citrate de la mitochondrie et l’activité de l’ATP-citrate lyase (ACL) et l’enzyme malique (MEc), deux enzymes clés de la navette pyruvate/citrate. L’inhibition de chacune de ces étapes par l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique ou de la technologie des ARN interférant a corrélé avec une réduction significative de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Les résultats obtenus suggèrent que la navette pyruvate/citrate joue un rôle critique dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Parallèlement à notre étude, deux autres groupes de recherche ont suggéré que les navettes pyruvate/malate et pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate étaient aussi importantes pour la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ainsi, trois navettes découlant du métabolisme mitochondrial du glucose pourraient être impliquées dans le contrôle de la sécrétion d’insuline. Le point commun de ces trois navettes est la production dans le cytoplasme du NADPH, un facteur de couplage métabolique possiblement très important pour la sécrétion d’insuline. Dans les navettes pyruvate/malate et pyruvate/citrate, le NADPH est formé par MEc, alors que l’isocitrate déshydrogénase (IDHc) est responsable de la production du NADPH dans la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate. Dans notre première étude, nous avions démontré l’importance de l’expression de ME pour la sécrétion adéquate d’insuline en réponse au glucose. Dans notre deuxième étude, nous avons testé l’implication de IDHc dans les mécanismes de régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. La diminution de l’expression de IDHc dans les INS 832/13 a stimulé la sécrétion d’insuline en réponse au glucose par un mécanisme indépendant de la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose. Ce résultat a ensuite été confirmé dans les cellules dispersées des îlots pancréatiques de rat. Nous avons aussi observé dans notre modèle que l’incorporation du glucose en acides gras était augmentée, suggérant que la diminution de l’activité de IDHc favorise la redirection du métabolisme de l’isocitrate à travers la navette pyruvate/citrate. Un mécanisme de compensation à travers la navette pyruvate/citrate pourrait ainsi expliquer la stimulation de la sécrétion d’insuline observée en réponse à la diminution de l’expression de IDHc. Les travaux effectués dans cette deuxième étude remettent en question l’implication de l’activité de IDHc, et de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate, dans la transduction des signaux métaboliques reliant le métabolisme du glucose à la sécrétion d’insuline. La navette pyruvate/citrate est la seule des navettes du pyruvate à conduire à la production du malonyl-CoA dans le cytoplasme des cellules β. Le malonyl-CoA régule le métabolisme des acides gras en inhibant la carnitine palmitoyl transférase 1, l’enzyme limitante dans l’oxydation des acides gras. Ainsi, l’élévation des niveaux de malonyl-CoA en réponse au glucose entraîne une redirection du métabolisme des acides gras vers les processus d’estérification puis de lipolyse. Plus précisément, les acides gras sont métabolisés à travers le cycle des triglycérides/acides gras libres (qui combinent les voies métaboliques d’estérification et de lipolyse), afin de produire des molécules lipidiques signalétiques nécessaires à la modulation de la sécrétion d’insuline. Des études effectuées précédemment dans notre laboratoire ont démontré que l’activité lipolytique de HSL (de l’anglais hormone-sensitive lipase) était importante, mais non suffisante, pour la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans une étude complémentaire, nous nous sommes intéressés au rôle d’une autre lipase, soit ATGL (de l’anglais adipose triglyceride lipase), dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et aux acides gras. Nous avons démontré que ATGL est exprimé dans les cellules β pancréatiques et que son activité contribue significativement à la lipolyse. Une réduction de son expression dans les cellules INS 832/13 par RNA interférant ou son absence dans les îlots pancréatiques de souris déficientes en ATGL a conduit à une réduction de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose en présence ou en absence d’acides gras. Ces résultats appuient l’hypothèse que la lipolyse est une composante importante de la régulation de la sécrétion d’insuline dans les cellules β pancréatiques. En conclusion, les résultats obtenus dans cette thèse suggèrent que la navette pyruvate/citrate est importante pour la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ce mécanisme impliquerait la production du NADPH et du malonyl-CoA dans le cytoplasme en fonction du métabolisme du glucose. Cependant, nos travaux remettent en question l’implication de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Le rôle exact de IDHc dans ce processus demeure cependant à être déterminé. Finalement, nos travaux ont aussi démontré un rôle pour ATGL et la lipolyse dans les mécanismes de couplage métabolique régulant la sécrétion d’insuline.

Cytotoxic Granules In Distinct Subsets Of Cutaneous Lupus Erythematosus.

In cutaneous lupus erythematosus (CLE), the pathogenetic role of cytotoxic granules has been demonstrated in the subacute and discoid subtypes, which show interface dermatitis, but little is known about tumid (T)CLE, which does not show this interface dermatitis, and evolves with minimal epidermal changes. We studied cytotoxic T lymphocytes and cytotoxic granules in discoid (n = 21), subacute (n = 17), and tumid (n = 21) CLE samples. Skin sections were immunohistochemically stained for CD8, CD56, perforin, granzyme A, granzyme B, and granulysin. Inflammatory cells containing the four subtypes of cytotoxic granules were found in all the three CLE forms; however, only the TCLE group showed a positive correlation between the density of CD8+ cells and each subtype of cytotoxic granule-positive cells. In addition, only the TCLE group showed synergy between the densities of cells containing cytotoxic granule subtypes. Cytotoxic granules are important in the pathomechanism of TCLE. They may perform functions other than apoptosis, including maintenance of inflammation and dermal mucinous deposits in TCLE.

ASSOCIATION OF A MYOSIN MOTOR WITH MEMBRANE-BOUNDED PIGMENT GRANULES IN FRESHWATER SHRIMP CHROMATOPHORES: EVIDENCE FROM THE NITELLA ACTIN-CABLE ASSAY

We have adapted an actin-mosin motility assay to examine the interactions in vitro between actin cables isolated from the giant internodal cells of the freshwater alga, Nitella, and pigment granules extracted from red ovarian chromatophores of the freshwater palaemonid shrimp, Macrobrachium olfersi. The chromatophore pigment mass consists of large (0.5-1.0-mu m diameter) membrane-bounded granules, and small (140-nm diameter), a membranous granules, both structurally continuous with the abundant smooth endoplasmic reticulum. Our previous immunocytochemical studies show a myosin motor to be stably associated with the pigment mass; however, to which granule type or membrane the myosin motor is attached is unclear. Here, we show that sodium vanadate, a myosin ATPase inhibitor, markedly increases the affinity of isolated, large, membrane-bounded granules for Nitella actin cables to which they become permanently attached. This interaction does not occur in granule preparations containing ATP with uninhibited, active myosin without vanadate. We propose that a stable state of elevated affinity is established between the granule-located myosin motor and the Nitella actin cables, resulting from a vanadate-inhibited acto-myosin-ADP complex. This finding provides further evidence for a myosin motor positioned on the surface of the membrane-bounded pigment granules in shrimp ovarian chromatophores.

Growth regime map for liquid-bound granules: further development and experimental validation

An attempt was made to quantify the boundaries and validate the granule growth regime map for liquid-bound granules recently proposed by Iveson and Litster (AlChE J. 44 (1998) 1510). This regime map postulates that the type of granule growth behaviour is a function of only two dimensionless groups: the amount of granule deformation during collision (characterised by a Stokes deformation number, St(def)) and the maximum granule pore saturation, s(max). The results of experiments performed with a range of materials (glass ballotini, iron ore fines, copper chalcopyrite powder and a sodium sulphate and cellulose mixture) using both drum and high shear mixer granulators were examined. The drum granulation results gave good agreement with the proposed regime map. The boundary between crumb and steady growth occurs at St(def) of order 0.1 and the boundary between steady and induction growth occurs at St(def) of order 0.001. The nucleation only boundary occurs at pore saturations that increase from 70% to 80% with decreasing St(def). However, the high shear mixer results all had St(def) numbers which were too large. This is most likely to be because the chopper tip-speed is an over-estimate of the average impact velocity granules experience and possibly also due to the dynamic yield strength of the materials being significantly greater than the yield strengths measured at low strain rates. Hence, the map is only a useful tool for comparing the granulation behaviour of different materials in the same device. Until we have a better understanding of the flow patterns and impact velocities in granulators, it cannot be used to compare different types of equipment. Theoretical considerations also revealed that several of the regime boundaries are also functions of additional parameters not explicitly contained on the map, such as binder viscosity. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Immunoelectron microscopy provides evidence for the presence of mitochondrial heat shock 10-kDa protein (chaperonin 10) in red blood cells and a variety of secretory granules

Hsp10 (10-kDa heat shock protein, also known as chaperonin 10 or Cpn10) is a co-chaperone for Hsp60 in the protein folding process. This protein has also been shown to be identical to the early pregnancy factor, which is an immunosuppressive growth factor found in maternal serum. In this study we have used immunogold electron microscopy to study the subcellular localization of Hsp10 in rat tissues sections embedded in LR Gold resin employing polyclonal antibodies raised against different regions of human Hsp10. In all rat tissues examined including liver, heart, pancreas, kidney, anterior pituitary, salivary gland, thyroid, and adrenal gland, antibodies to Hsp10 showed strong labeling of mitochondria. However, in a number of tissues, in addition to the mitochondrial labeling, strong and highly specific labeling with the Hsp10 antibodies was also observed in several extramitochondrial compartments. These sites included zymogen granules in pancreatic acinar cells, growth hormone granules in anterior pituitary, and secretory granules in PP pancreatic islet cells. Additionally, the mature red blood cells which lack mitochondria, also showed strong reactivity with the Hsp10 antibodies. The observed labeling with the Hsp10 antibodies, both within mitochondria as well as in other compartments/cells, was abolished upon omission of the primary antibodies or upon preadsorption of the primary antibodies with the purified recombinant human Hsp10. These results provide evidence that similar to a number of other recently described mitochondrial proteins (viz., Hsp60, tumor necrosis factor receptor-associated protein- 1, P32 (gC1q-R) protein, and cytochrome c), Hsp10 is also found at a variety of specific extramitochondrial sites in normal rat tissue. These results raise important questions as to how these mitochondrial proteins are translocated to other compartments and their possible function(s) at these sites. The presence of these proteins at extramitochondrial sites in normal tissues has important implications concerning the role of mitochondria in apoptosis and genetic diseases.

Growth and compaction behaviour of copper concentrate granules in a rotating drum

In order to understand the growth and compaction behaviour of chalcopyrite (copper concentrate), batch granulation tests were carried out using a rotating drum. The granule growth exhibited induction-type behaviour, as defined by Iveson and Litster [AIChE J. 44 (1998) 15 10]. There were two consecutive stages during granulation: the induction stage, during which the granules are gradually being compacted and little or no growth occurs, and the rapid growth stage, which starts when the granules have become surface wet and are rapidly growing. In agreement with earlier findings. an increased amount of binder liquid shortened the induction time. The compaction behaviour was also investigated. A displaced volume method was adopted to determine the porosity of the granules. It was shown that this technique had a limitation as it was unable to detect the reduction of the volumes of the granule pores after the granules had become surface wet. Due to this, some of the measurements were not suited for fitting a three-parameter empirical model. Attempts were made to determine whether the rapid growth stage started with the pore saturation exceeding a certain critical value, but due to the scatter in the porosity measurements and the fact that some of the measurements could not be used, it was not possible to determine a critical pore saturation, However, the porosity measurements clearly demonstrated that the porosity of the granules decreased during the induction stage of an experiment and that when rapid growth occurred, the granules had a pore saturation was around 0.85. This value was slightly lower than unity, which is most likely due to trapped air bubbles. (C) 2002 Published by Elsevier Science B.V.

Manipulation of colonic bacteria and volatile fatty acid production by dietary high amylose maize (amylomaize) starch granules

Aims : To study the effects of amylomaize starch and modified (carboxymethylated and acetylated) amylomaize starches on the composition of colonic bacteria and the production of volatile fatty acids, in mice. Methods and Results : Balb/c mice were fed with experimental diets containing various amount of amylomaize and modified amylomaize starches. Colonic bacterial populations and short-chain fatty acids were monitored. Results showed that the increases in indigenous bifidobacteria were detected in mice fed all starches tested; however, the highest numbers were observed in the group fed with 40% unmodified amylomaize starch. The starch type influenced the populations of indigenous Lactobacillus , Bacteroides and coliforms. High Lactobacillus numbers were achieved in the colon of mice fed with high concentration of amylomaize starch. Acetylated amylomaize starch significantly reduced the population of coliforms. In addition, orally dosed amylomaize utilizing bifidobacteria reached their highest levels when fed together with amylomaize or carboxymethylated amylomaize starch and in both cases butyrate levels were markedly increased. Conclusions: These results indicate that different amylomaize starches could generate desirable variation in gut microflora and that particular starches may be used to selectively modify gut function. Significance and Impact of Study: Amylomaize starch appeared to enhance the desirable composition of colonic bacteria in mice, and suggested it possessed the potential prebiotic properties.MTherefore, resistant starch and its chemical derivatives may exert beneficial impacts to the human colon.

Prolonged retention after aggregation into secretory granules of human R183H-growth hormone (GH), a mutant that causes autosomal dominant GH deficiency type II

Human R183H-GH causes autosomal dominant GH deficiency type II. Because we show here that the mutant hormone is fully bioactive, we have sought to locate an impairment in its progress through the secretory pathway as assessed by pulse chase experiments. Newly synthesized wild-type and R183H-GH were stable when expressed transiently in AtT20 cells, and both formed equivalent amounts of Lubrol-insoluble aggregates within 40 min after synthesis. There was no evidence for intermolecular disulfide bond formation in aggregates of wild-type hormone or the R183H mutant. Both wildtype and R183H-GH were packaged into secretory granules, assessed by the ability of 1 mm BaCl2 to stimulate release and by immunocytochemistry. The mutant differed from wildtype hormone in its retention in the cells after packaging into secretory granules; 50% more R183H-GH than wild-type aggregates were retained in AtT20 cells 120 min after synthesis, and stimulated release of R183H-GH or a mixture of R183H-GH and wild-type that had been retained in the cell was reduced. The longer retention of R183H-GH aggregates indicates that a single point mutation in a protein contained in secretory granules affects the rate of secretory granule release.