Vulnérabilité cardiaque au stress au cours du remodelage ventriculaire pathologique : rôle de la mitochondrie et du pore de perméabilité transitionnelle (PTP)

L’objectif central de cette thèse de Doctorat était d’investiguer les dysfonctions mitochondriales qui surviennent précocement au cours de la phase compensée du remodelage ventriculaire pathologique et qui pourraient jouer un rôle causal dans la progression vers l’insuffisance cardiaque. Nos travaux antérieurs, réalisés à l’aide d’un modèle de surcharge volumique chronique induite par une fistule aorto-cavale (ACF) chez le Rat WKHA, ont montré qu’au cours du remodelage ventriculaire, les mitochondries développaient une vulnérabilité à l’ouverture du pore de perméabilité transitionnelle (PTP : un élément clé de la signalisation de la mort cellulaire) [1]. Ceci était observable au stade compensé du remodelage en absence des dysfonctions mitochondriales majeures typiquement observées dans le cœur insuffisant. Ces résultats nous ont amenés à suggérer que la vulnérabilité à l’ouverture du PTP pourrait constituer un mécanisme précoce favorisant la progression de la cardiopathie. Dans l’étude 1 de cette thèse, nous avons tenté de tester cette hypothèse en induisant une ACF chez deux souches de rats affichant de très nettes différences au niveau de la propension à développer l’insuffisance cardiaque : les souches WKHA et Sprague Dawley (SD). Nos études in vitro sur organelles isolées et in situ sur l’organe entier ont permis de confirmer que, dans le cœur ACF, les mitochondries développent une vulnérabilité à l’ouverture du PTP et à l’activation de la voie mitochondriale de la mort cellulaire lorsqu’exposées à des stress pertinents à la pathologie (surcharge calcique, ischémie-reperfusion [I-R]). Cependant, bien que comparativement aux animaux WKHA, les animaux SD démontraient un remodelage ventriculaire plus rapide et prononcé et une progression précoce vers l’insuffisance cardiaque, aucune différence n’était observable entre les deux groupes au niveau des dysfonctions mitochondriales, suggérant quelles ne sont pas à l’origine de la progression plus rapide de la pathologie chez la souche SD, à tout le moins en réponse à la surcharge volumique. Nous avons par la suite déterminé, à l’aide des mêmes approches expérimentales, si cette vulnérabilité mitochondriale était observable dans une cardiopathie d’étiologie différente, plus spécifiquement celle qui est associée à la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD), une maladie génétique causée par une mutation de la protéine dystrophine. Nos études menées (études 2-4) sur de jeunes souris mdx (le modèle murin de la DMD) exemptes de tout signe clinique de cardiopathie n’ont révélé aucune différence au niveau des fonctions mitochondriales de base. Cependant, tout comme dans le modèle d’ACF, les mitochondries dans le cœur de souris mdx étaient significativement plus vulnérables à l’ouverture du PTP lorsque soumises à une I-R (étude 2). Par ailleurs, nous avons démontré que l’administration aiguë de sildénafil aux souris mdx induisait une abolition de l’ouverture du PTP et de ses conséquences signalétiques, une diminution marquée du dommage tissulaire et une meilleure récupération fonctionnelle à la suite de l’I-R (étude 3). Nous avons ensuite testé chez la souris mdx l’administration aiguë de SS31, un peptide anti-oxydant ciblé aux mitochondries, cependant aucun effet protecteur n’a été observé, suggérant que le tamponnement des radicaux libres est d’une utilité limitée si les perturbations de l’homéostasie calcique typiques à cette pathologie ne sont pas traitées simultanément (étude 4). Globalement, les travaux effectués au cours de cette thèse démontrent que la vulnérabilité à l’ouverture du PTP constitue une dysfonction précoce et commune qui survient au cours de remodelages ventriculaires pathologiques d’étiologies différentes. Par ailleurs, ces travaux suggèrent des stratégies d’intervention pharmacologiques ciblant ce processus, dont l’efficacité pour la prévention de l’insuffisance cardiaque demande à être établie.

Vulnérabilité cardiaque au stress au cours du remodelage ventriculaire pathologique induit par surcharge volumique : rôle du pore de perméabilité transitionnelle (PTP)

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Effet de l'hypertrophie cardiaque physiologique et pathologique sur la régulation du pore de perméabilité transitionnelle

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Implication de la cyclophiline-D et du pore de perméabilité transitionnelle dans la vulnérabilité mitochondriale du coeur hypertrophié

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The cardioprotective effect of a short-term aerobic exercise program and the mitochondrial permeability transition pore of the Rat

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

The cardioprotective effect of a short-term aerobic exercise program and the mitochondrial permeability transition pore of the Rat

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Impact of adenosine nucleotide translocase (ANT) proline isomerization on Ca(2+)-induced cysteine relative mobility/mitochondrial permeability transition pore

Mitochondrial membrane carriers containing proline and cysteine, such as adenine nucleotide translocase (ANT), are potential targets of cyclophilin D (CyP-D) and potential Ca(2+)-induced permeability transition pore (PTP) components or regulators; CyP-D, a mitochondrial peptidyl-prolyl cis-trans isomerase, is the probable target of the PTP inhibitor cyclosporine A (CsA). In the present study, the impact of proline isomerization (from trans to cis) on the mitochondrial membrane carriers containing proline and cysteine was addressed using ANT as model. For this purpose, two different approaches were used: (i) Molecular dynamic (MD) analysis of ANT-Cys(56) relative mobility and (ii) light scattering techniques employing rat liver isolated mitochondria to assess both Ca(2+)-induced ANT conformational change and mitochondrial swelling. ANT-Pro(61) isomerization increased ANT-Cys(56) relative mobility and, moreover, desensitized ANT to the prevention of this effect by ADP. In addition, Ca(2+) induced ANT ""c"" conformation and opened PTP; while the first effect was fully inhibited, the second was only attenuated by CsA or ADP. Atractyloside (ATR), in turn, stabilized Ca(2+)-induced ANT ""c"" conformation, rendering the ANT conformational change and PTP opening less sensitive to the inhibition by CsA or ADP. These results suggest that Ca(2+) induces the ANT ""c"" conformation, apparently associated with PTP opening, but requires the CyP-D peptidyl-prolyl cis-trans isomerase activity for sustaining both effects.

Implication de la protéine tyrosine phosphatase DEP-1 dans la perméabilité vasculaire induite par le VEGF

La perméabilité vasculaire est une caractéristique cruciale de l’angiogenèse. Les acteurs principaux sont les cellules endothéliales qui la régulent en réponse à divers facteurs perméabilisant, tels que le « Vascular Endothelial Growth Factor » (VEGF). Dans le contexte pathologique du cancer, les cellules tumorales produisent de grandes quantités de VEGF qui stimulent la perméabilité, ce qui leur permet d’infiltrer le réseau vasculaire. Il est connu que la tyrosine kinase Src contrôle cette modulation de la perméabilité. Puisque notre laboratoire a préalablement démontré que la phosphatase de type récepteur (PTP) DEP-1 est impliquée dans l’activation de Src en réponse au VEGF, nous avons émis l'hypothèse que DEP-1 pourrait aussi jouer un rôle dans la perméabilité des cellules endothéliales. Grâce à des expériences de transfections d’ARN interférant, nous démontrons que DEP-1 est important pour la régulation de la phosphorylation de la VE-Cadhérine, un médiateur critique de la perméabilité. L’impact de DEP-1 sur la dissociation de jonctions intercellulaires est également démontré par microscopie à immunofluorescence de cellules endothéliales. DEP-1 est également nécessaire à l’augmentation de la perméabilité induite par VEGF in vitro. Deux résidus tyrosine retrouvés dans la queue carboxy-terminale de DEP-1 sont essentiels à l’activation de Src en réponse au VEGF. Suite à la transfection d’un plasmide encodant DEP-1 muté pour ces deux résidus, nous démontrons aussi leur implication dans la régulation de la perméabilité in vitro par DEP-1. Ces travaux permettent ainsi d’approfondir nos connaissances sur un nouveau régulateur potentiel de la perméabilité vasculaire.

Role of E3-ligase parkin in mitochondrial quality control in a cardiotoxicity model to anthracyclines

Dues à leur importance croissante dans la dégénérescence musculaire, les mitochondries sont de plus en plus étudiées en relation à diverses myopathies. Leurs mécanismes de contrôle de qualité sont reconnus pour leur rôle important dans la santé mitochondrial. Dans cette étude, nous tentons de déterminer si le déficit de mitophagie chez les souris déficiente du gène Parkin causera une exacerbation des dysfonctions mitochondriales normalement induite par la doxorubicine. Nous avons analysé l’impact de l’ablation de Parkin en réponse à un traitement à la doxorubicine au niveau du fonctionnement cardiaque, des fonctions mitochondriales et de l’enzymologie mitochondriale. Nos résultats démontrent qu’à l’état basal, l’absence de Parkin n’induit pas de pathologie cardiaque mais est associé à des dysfonctions mitochondriales multiples. La doxorubicine induit des dysfonctions respiratoires, du stress oxydant mitochondrial et une susceptibilité à l’ouverture du pore de transition de perméabilité (PTP). Finalement, contrairement à notre hypothèse, l’absence de Parkin n’accentue pas les dysfonctions mitochondriales induites par la doxorubicine et semble même exercer un effet protecteur.

Skeletal muscle disuse atrophy : implications on intracellular signaling pathways and mitochondrial permeability transition pore function

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Skeletal muscle disuse atrophy : implications on intracellular signaling pathways and mitochondrial permeability transition pore function

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On the mechanisms of phenothiazine-induced mitochondrial permeability transition: Thiol oxidation, strict Ca(2+) dependence, and cyt c release

Phenothiazines (PTZ) are drugs widely used in the treatment of schizophrenia. Trifluoperazine, a piperazinic PTZ derivative, has been described as inhibitor of the mitochondrial permeability transition (MPT). We reported previously the antioxidant activity of thioridazine at relatively low concentrations associated to the inhibition of the MPT (Brit. J. Pharmacol., 2002;136:136-142). In this study, it was investigated the induction of MPT by PTZ derivatives at concentrations higher than 10 mu M focusing on the molecular mechanism involved. PTZ promoted a dose-response mitochondrial swelling accompanied by mitochondrial transmembrane potential dissipation and calcium release, being thioridazine the most potent derivative. PTZ-induced MPT was partially inhibited by CsA or Mg(2+) and completely abolished by the abstraction of calcium. The oxidation of reduced thiol group of mitochondrial membrane proteins by PTZ was upstream the VIP opening and it was not sufficient to promote the opening of PTP that only occurred when calcium was present in the mitochondrial matrix. EPR experiments using DMPO as spin trapping excluded the participation of reactive oxygen species on the PTZ-induced MPT. Since 117 give rise to cation radicals chemically by the action of peroxidases and cyanide inhibited the PTZ-induced swelling, we propose that VIZ bury in the inner mitochondrial membrane and the chemically generated 117 cation radicals modify specific thiol groups that in the presence of Ca(2+) result in MPT associated to cytochrome c release. These findings contribute for the understanding of mechanisms of MET induction and may have implications for the cell death induced by PTZ. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

Ca(2+) binding to c-state of adenine nucleotide translocase (ANT)-surrounding cardiolipins enhances (ANT)-Cys(56) relative mobility: A computational-based mitochondrial permeability transition study

The oxidation of critical cysteines/related thiols of adenine nucleotide translocase (ANT) is believed to be an important event of the Ca(2+)-induced mitochondrial permeability transition (MPT), a process mediated by a cyclosporine A/ADP-sensitive permeability transition pores (PTP) opening. We addressed the ANT-Cys(56) relative mobility status resulting from the interaction of ANT/surrounding cardiolipins with Ca(2+) and/or ADP by means of computational chemistry analysis (Molecular Interaction Fields and Molecular Dynamics studies), supported by classic mitochondrial swelling assays. The following events were predicted: (i) Ca(2+) interacts preferentially with the ANT surrounding cardiolipins bound to the H4 helix of translocase, (ii) weakens the cardiolipins/ANT interactions and (iii) destabilizes the initial ANT-Cys(56) residue increasing its relative mobility. The binding of ADP that stabilizes the conformation ""m"" of ANT and/or cardiolipin, respectively to H5 and H4 helices, could stabilize their contacts with the short helix h56 that includes Cys(56), accounting for reducing its relative mobility. The results suggest that Ca(2+) binding to adenine nucleotide translocase (ANT)-surrounding cardiolipins in c-state of the translocase enhances (ANT)-Cys(56) relative mobility and that this may constitute a potential critical step of Ca(2+)-induced PTP opening. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

A modified discrete random pore model allowing for different initial surface reactivity

We investigate here a modification of the discrete random pore model [Bhatia SK, Vartak BJ, Carbon 1996;34:1383], by including an additional rate constant which takes into account the different reactivity of the initial pore surface having attached functional groups and hydrogens, relative to the subsequently exposed surface. It is observed that the relative initial reactivity has a significant effect on the conversion and structural evolution, underscoring the importance of initial surface chemistry. The model is tested against experimental data on chemically controlled char oxidation and steam gasification at various temperatures. It is seen that the variations of the reaction rate and surface area with conversion are better represented by the present approach than earlier random pore models. The results clearly indicate the improvement of model predictions in the low conversion region, where the effect of the initially attached functional groups and hydrogens is more significant, particularly for char oxidation. It is also seen that, for the data examined, the initial surface chemistry is less important for steam gasification as compared to the oxidation reaction. Further development of the approach must also incorporate the dynamics of surface complexation, which is not considered here.

Capillary network models for transport in packed beds: Considerations of pore aspect ratio

The conventional analysis for the estimation of the tortuosity factor for transport in porous media is modified here to account for the effect of pore aspect ratio. Structural models of the porous medium are also constructed for calculating the aspect ratio as a function of porosity. Comparison of the model predictions with the extensive data of Currie (1960) for the effective diffusivity of hydrogen in packed beds shows good agreement with a network model of randomly oriented intersecting pores for porosities upto about 50 percent, which is the region of practical interest. The predictions based on this network model are also found to be in better agreement with the data of Currie than earlier expressions developed for unconsolidated and grainy media.