Effets de mutations dans le gène ldhA et dans la protéine FhlA ainsi que de la limitation en glucose ou en soufre sur la production d'hydrogène chez Escherichia coli

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

Effets de mutations dans le gène ldhA et dans la protéine FhlA ainsi que de la limitation en glucose ou en soufre sur la production d'hydrogène chez Escherichia coli

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

Radical SAM, a novel protein superfamily linking unresolved steps in familiar biosynthetic pathways with radical mechanisms: functional characterization using new analysis and information visualization methods

A novel protein superfamily with over 600 members was discovered by iterative profile searches and analyzed with powerful bioinformatics and information visualization methods. Evidence exists that these proteins generate a radical species by reductive cleavage of S-adenosylmethionine (SAM) through an unusual Fe-S center. The superfamily (named here Radical SAM) provides evidence that radical-based catalysis is important in a number of previously well- studied but unresolved biochemical pathways and reflects an ancient conserved mechanistic approach to difficult chemistries. Radical SAM proteins catalyze diverse reactions, including unusual methylations, isomerization, sulfur insertion, ring formation, anaerobic oxidation and protein radical formation. They function in DNA precursor, vitamin, cofactor, antibiotic and herbicide biosynthesis and in biodegradation pathways. One eukaryotic member is interferon-inducible and is considered a candidate drug target for osteoporosis; another is observed to bind the neuronal Cdk5 activator protein. Five defining members not previously recognized as homologs are lysine 2,3-aminomutase, biotin synthase, lipoic acid synthase and the activating enzymes for pyruvate formate-lyase and anaerobic ribonucleotide reductase. Two functional predictions for unknown proteins are made based on integrating other data types such as motif, domain, operon and biochemical pathway into an organized view of similarity relationships.

Aerobic cultivation of Streptococcus zooepidemicus and the role of NADH oxidase

A metabolic flux model was developed for Streptococcus zooepidemicus to compare the metabolism of glucose and maltose during aerobic batch cultivation. Lactic acid was the main product of glucose metabolism whereas acetic acid was the main product of maltose metabolism. This difference was chiefly attributed to the two-fold higher flux through NADH oxidase in maltose-grown cells that enabled the ATP generation rate to remain high despite a slower maltose consumption rate. The two-fold higher flux was matched by a two-fold increase in NADH oxidase activity, 2.53 +/- 0.1 mumol NADH min(-1) mg(-1) protein on maltose versus 1.07 +/- 0.04 Rmol NADH min(-1) mg(-1) protein on glucose, indicating that NADH oxidase activity is regulated by the energy status of the cell. Surprisingly, the energy status of the cell had little impact on hyaluronic acid (HA) yield and molecular weight. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

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.

Physiopathologie des maladies métaboliques héréditaires des acyls-Coenzyme A révélée par l’étude d’un modèle animal déficient en 3-hydroxy-3-méthylglutaryl-Coenzyme A lyase

La plupart des conditions détectées par le dépistage néonatal sont reliées à l'une des enzymes qui dégradent les acyls-CoA mitochondriaux. Le rôle physiopathologique des acyls-CoA dans ces maladies est peu connue, en partie parce que les esters liés au CoA sont intracellulaires et les échantillons tissulaires de patients humains ne sont généralement pas disponibles. Nous avons créé une modèle animal murin de l'une de ces maladies, la déficience en 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA lyase (HL), dans le foie (souris HLLKO). HL est la dernière enzyme de la cétogenèse et de la dégradation de la leucine. Une déficience chronique en HL et les crises métaboliques aigües, produisent chacune un portrait anormal et distinct d'acyls-CoA hépatiques. Ces profils ne sont pas prévisibles à partir des niveaux d'acides organiques urinaires et d'acylcarnitines plasmatiques. La cétogenèse est indétectable dans les hépatocytes HLLKO. Dans les mitochondries HLLKO isolées, le dégagement de 14CO2 à partir du [2-14C]pyruvate a diminué en présence de 2-ketoisocaproate (KIC), un métabolite de la leucine. Au test de tolérance au pyruvate, une mesure de la gluconéogenèse, les souris HLLKO ne présentent pas la réponse hyperglycémique normale. L'hyperammoniémie et l'hypoglycémie, des signes classiques de plusieurs erreurs innées du métabolisme (EIM) des acyls-CoA, surviennent de façon spontanée chez des souris HLLKO et sont inductibles par l'administration de KIC. Une charge en KIC augmente le niveau d'acyls-CoA reliés à la leucine et diminue le niveau d'acétyl-CoA. Les mitochondries des hépatocytes des souris HLLKO traitées avec KIC présentent un gonflement marqué. L'hyperammoniémie des souris HLLKO répond au traitement par l'acide N-carbamyl-L-glutamique. Ce composé permet de contourner une enzyme acétyl-CoA-dépendante essentielle pour l’uréogenèse, le N-acétylglutamate synthase. Ceci démontre un mécanisme d’hyperammoniémie lié aux acyls-CoA. Dans une deuxième EIM des acyls-CoA, la souris SCADD, déficiente en déshydrogénase des acyls-CoA à chaînes courtes. Le profil des acyls-CoA hépatiques montre un niveau élevé du butyryl-CoA particulièrement après un jeûne et après une charge en triglycérides à chaîne moyenne précurseurs du butyryl-CoA.

Substrate specificity of human glutamine transaminase K as an aminotransferase and as a cysteine S-conjugate beta-lyase

Rat kidney glutamine transaminase K (GTK) exhibits broad specificity both as an aminotransferase and as a cysteine S-conjugate beta-lyase. The beta-lyase reaction products are pyruvate, ammonium and a sulfhydryl-containing fragment. We show here that recombinant human GTK (rhGTK) also exhibits broad specificity both as an aminotransferase and as a cysteine S-conjugate beta-lyase. S-(1,1,2,2-Tetrafluoroethyl)-L-CySteine is an excellent aminotransferase and beta-lyase substrate of rhGTK. Moderate aminotransferase and beta-lyase activities occur with the chemopreventive agent Se-methyl-L-selenocysteine. L-3-(2-Naphthyl)alanine, L-3-(1-naphthyl)alanine, 5-S-L-cysteinyldopamine and 5-S-L-cysteinyl-L-DOPA are measurable aminotransferase substrates, indicating that the active site can accommodate large aromatic amino acids. The alpha-keto acids generated by transamination/L-amino acid oxidase activity of the two catechol cysteine S-conjugates are unstable. A slow rhGTK-catalyzed beta-elimination reaction, as measured by pyruvate formation, was demonstrated with 5-S-L-CysteinyIdopamine, but not with 5-S-L-CySteinyl-L-DOPA. The importance of transamination, oxidation and beta-elimination reactions involving 5-S-L-cysteinyldopamine, 5-S-L-cysteinyt-L-DOPA and Se-methyl-L-selenocysteirte in human tissues and their biological relevance are discussed. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Six new cases confirm the clinical molecular profile of complete combined 17α-hydroxylase/ 17,20-lyase deficiency in Brazil

In 2004, Costa-Santos and cols. reported 24 patients from 19 Brazilian families with 17α-hydroxylase deficiency and showed that p.W406R and p.R362C corresponded to 50% and 32% of CYP17A1 mutant alleles, respectively. The present report describes clinical and molecular data of six patients from three inbred Brazilian families with 17α-hydroxlyse deficiency. All patients had hypogonadism, amenorrhea and hypertension at diagnosis. Two sisters were found to be 46,XY with both gonads palpable in the inguinal region. All patients presented hypergonadotrophic hypogonadism, with high levels of ACTH (> 104 ng/mL), suppressed plasmatic renin activity, low levels of potassium (< 2.8 mEq/L) and elevated progesterone levels (> 4.4 ng/mL). Three of them, including two sisters, were homozygous for p.W406R mutation and the other three (two sisters and one cousin) were homozygous for p.R362C. The finding of p.W406R and p.R362C in the CYP17A1 gene here reported in additional families, confirms them as the most frequent mutations causing complete combined 17α-hydroxylase/17,20-lyase deficiency in Brazilian patients.

Congenital lactic acidosis: Evaluation of the properties of the A199T natural variant of human pyruvate dehydrogenase E1 alpha by in vitro mutation

One cause of congenital lactic acidosis is a mutation in the E1 alpha -subunit of the pyruvate dehydrogenase multienzyme complex. Little is known about the consequences of these mutations at the enzymatic level. Here we study the A199T mutation by expressing the protein in Escherichia coil. The specific activity is 25% of normal and the K-m for pyruvate is elevated by 10-fold. Inhibitors of lactate dehydrogenase might be a useful therapy for patients with such mutations. (C) 2001 Academic Press.

Constitutive expression of a phenylalanine ammonia-lyase gene from Stylosanthes humilis in transgenic tobacco leads to enhanced disease resistance but impaired plant growth

Transgenic tobacco plants expressing a phenylalanine ammonia-lyase cDNA (ShPAL), isolated from Stylosanthes humilis, under the control of the 35S promoter of the cauliflower mosaic virus were produced to test the effect of high level PAL expression on disease resistance. The transgenic plants showed up to eightfold PAL activity and were slowed in growth and flowering relative to non-transgenic controls which have segregated out the transgene. The expression of the ShPAL transgene and elevated PAL levels were correlated and stably inherited. In T-1 and T-2 tobacco plants with increased PAL activity, lesion expansion was significantly reduced by up to 55% on stems inoculated with the Oomycete pathogen Phytophthora parasitica pv. nicotianae, Lesion area was significantly reduced by up to 50% on leaves inoculated with the fungal pathogen Cercospora nicotianae. This study provides further evidence that PAL has a role in plant defence. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Calorimetric demonstration of the potential of molecular crowding to emulate the effect of an allosteric activator on pyruvate kinase kinetics

A method based on isothermal calorimetry is described for the direct kinetic assay of pyruvate kinase. In agreement with earlier findings based on the standard coupled assay system for this enzyme in the presence of a fixed ADP concentration, the essentially rectangular hyperbolic dependence of initial velocity upon phosphoenolpyruvate concentration is rendered sigmoidal by the allosteric inhibitor phenylalanine. This effect of phenylalanine can be countered by including a high concentration of a space- filling osmolyte such as proline in the reaction mixtures. This investigation thus affords a dramatic example that illustrates the need to consider potential consequences of thermodynamic nonideality on the kinetics of enzyme reactions in crowded molecular environments such as the cell cytoplasm.

Further evidence for the reliance of catalysis by rabbit muscle pyruvate kinase upon isomerization of the ternary complex between enzyme and products

Isothermal calorimetry has been used to examine the effect of thermodynamic non-ideality on the kinetics of catalysis by rabbit muscle pyruvate kinase as the result of molecular crowding by inert cosolutes. The investigation, designed to detect substrate-mediated isomerization of pyruvate kinase, has revealed a 15% enhancement of maximal velocity by supplementation of reaction mixtures with 0.1 M proline, glycine or sorbitol. This effect of thermodynamic non-ideality implicates the existence of a substrate-induced conformational change that is governed by a minor volume decrease and a very small isomerization constant; and hence, substantiates earlier inferences that the rate-determining step in pyruvate kinase kinetics is isomerization of the ternary enzyme product complex rather than the release of products. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Biochemical characterization of two mutants of human pyruvate dehydrogenase, F205L and T231A of the E1 alpha subunit

Mutations in the E1alpha subunit of the pyruvate dehydrogenase multienzyme complex may result in congenital lactic acidosis, but little is known about the consequences of these mutations at the enzymatic level. Here we characterize two mutants (F205L and T231A) of human pyruvate dehydrogenase in vitro, using the enzyme expressed in Escherichia coli. Wild-type and mutant proteins were purified successfully and their kinetic parameters were measured. F205L shows impaired binding of the thiamin diphosphate cofactor, which may explain why patients carrying this mutation respond to high-dose vitamin B-1 therapy. T231A has very low activity and a greatly elevated K-m for pyruvate, and this combination of effects would be expected to result in severe lactic acidosis. The results lead to a better understanding of the consequences of these mutations on the functional and structural properties of the enzyme, which may lead to improved therapies for patients carrying these mutations.

Pyruvate kinase and glucose-6-phosphate dehydrogenase deficies and their association with malaria - population genetics and proteomic studies

A malária é reconhecida como uma das principais forças selectivas a actuar na história recente no genoma humano. Inúmeros polimorfismos genéticos têm sido descritos como protectores contra a gravidade da malária, como o alelo HbS (designado de traço falciforme) e o alelo G6PD A- (associado à deficiência de G6PD). Mais recentemente, também a deficiência de PK foi associada com a protecção contra a malária. Evidências desta associação foram obtidas em estudos com modelos de roedor e estudos in vitro utilizando GV humanos deficientes em PK. Até à data, não foram obtidos dados em populações humanas que revelem esta associação: ainda não foi identificada uma variante de PK com uma prevalência elevada em regiões endémicas de malária e não foram identificadas marcas de selecção na região do gene que codifica para a PK (gene PKLR). Além disso, os mecanismos subjacentes à protecção contra a malária por deficiências enzimáticas dos GV não estão bem esclarecidos. Assim, os objectivos do presente estudo foram: investigar os polimorfismos genéticos humanos com associação com a malária em Cabo Verde; pesquisar marcas de selecção da malária na região do gene PKLR em populações Africanas; determinar a frequência da deficiência em PK e identificar uma eventual variante da enzima que possa estar sob selecção positiva em regiões endémicas de malária; avaliar o efeito das duas deficiências enzimáticas (PK e G6PD) na invasão e maturação do parasita em culturas in vitro de Plasmodium usando GV normais e deficientes; e analisar o perfil proteómico de GV infectados e não infectados, normais e com deficiência (em PK e G6PD), bem como de parasitas isolados de GV tanto deficientes como normais. Em Cabo Verde (área epidémica), não foram identificadas marcas de selecção pela malária, através da análise dos vários polimorfismos. No entanto, quando a análise foi realizada em dois países endémicos (Angola e Moçambique), foram detectadas várias marcas de selecção: a genotipagem de microssatélites (STRs) e polimorfismos de base única (SNPs) localizados na vizinhança do gene PKLR revelou uma diferenciação consideravelmente maior entre as populações Africana e Europeia (Portuguesa), do que a diferenciação determinada aquando da utilização de marcadores genéticos neutros. Além disso, uma região genómica de maior amplitude apresentou um Desequilíbrio de Ligação (LD) significativo no grupo de malária não grave (e não no grupo de malária grave), sugerindo que a malária poderá estar a exercer pressão selectiva sobre a região do genoma humano que envolve o gene PKLR. No estudo que incidiu na determinação da prevalência da deficiência de PK no continente Africano (realizado em Moçambique), esta revelou-se elevada - 4,1% - sendo o valor mais elevado descrito até ao momento a nível mundial para esta enzimopatia. Na pesquisa de mutações que pudessem estar na causa deste fenótipo (baixa actividade de PK), foi identificada uma mutação não sinónima 829G>A (277Glu>Lys), significativamente associada à baixa actividade enzimática. Esta mutação foi também identificada em Angola, São Tomé e Príncipe e Guiné Equatorial, onde a frequência de portadores heterozigóticos foi entre 2,6 e 6,7% (valores que se encontram entre os mais elevados descritos globalmente para mutações associadas à deficiência em PK). Não foi possível concluir acerca da associação entre a deficiência de PK e o grau de severidade da malária e da associação entre o alelo 829A e a mesma, devido ao baixo número de amostras. Os resultados dos ensaios de invasão/maturação do parasita sugeriram que, nos GV com deficiência de PK ou G6PD, a invasão (onde está envolvida a membrana do GV hospedeiro e o complexo apical do parasita) é mais relevante para a eventual protecção contra a malária do que a maturação. Os resultados da análise proteómica revelaram respostas diferentes por parte do parasita nas duas condições de crescimento (GV com deficiência de PK e GV com deficiência de G6PD). Esta resposta parece ser proporcional à gravidade da deficiência enzimática. Nos parasitas que cresceram em GV deficientes em G6PD (provenientes de um indivíduo assintomático), a principal alteração observada (relativamente às condições normais) foi o aumento do número de proteínas de choque térmico e chaperones, mostrando que os parasitas responderam às condições de stress oxidativo, aumentando a expressão de moléculas de protecção. Nos parasitas que cresceram em condições de deficit de PK (GV de indivíduo com crises hemolíticas regulares, dependente de transfusões sanguíneas), houve alteração da expressão de um maior número de proteínas (relativamente ao observado em condições normais), em que a maioria apresentou uma repressão da expressão. Os processos biológicos mais representados nesta resposta do parasita foram a digestão da hemoglobina e a troca de proteínas entre hospedeiro e parasita/remodelação da superfície do GV. Além disso, uma elevada percentagem destas proteínas com expressão alterada está relacionada com as fendas de Maurer, que desempenham um papel importante na patologia da infecção malárica. É colocada a hipótese de que a protecção contra a malária em GV deficientes em PK está relacionada com o processo de remodelação da membrana dos GV pelo parasita, o que pode condicionar a invasão por novos parasitas e a própria virulência da malária. Os resultados da análise do proteoma dos GV contribuirão para confirmar esta hipótese.