Visual pigments are light sensitive receptors in the eye that form the basis of sensory visual transduction. This thesis presents three studies that explore visual pigment proteins in vertebrates using a number of computational and experimental methods in an evolutionary framework. The objective is not only to identify, but also to experimentally investigate the functional consequences of genetic variation in vertebrate visual pigments. The focus is on great bowerbirds (Chlamydera nuchalis), which are a model system in visual ecology due to their spectacular behaviour of building and decorating courtship bowers. There are 4 chapters: Chapter 1 introduces background information on visual pigments and vision in birds. Among visual pigment types, the short-wavelength-sensitive (SWS1) pigments have garnered particular interest due to the broad spectral range among vertebrates and the importance of UV signals in communication. Chapter 2 investigates the evolutionary history of SWS1 in vertebrates with a view toward its utility as a phylogenetic marker. Chapter 3 investigates SWS1 evolution and short-wavelength vision in birds, with particular focus on C. nuchalis and its SWS1. The evolution of spectral tuning mechanisms mediating UV/violet vision in passerines and parrots is elucidated in this chapter using site-directed mutagenesis, protein expression, and phylogenetic recreation of ancestral opsins. While cone opsins mediate colour vision in bright light, the rhodopsin visual pigment contained in rod photoreceptors is critical for dim light vision. Detailed characterization of rhodopsin function has only been conducted on a few model systems. Chapter 4 examines C. nuchalis RH1 using a number of functional assays in addition to absorbance spectra, including hydroxylamine sensitivity and the rate of retinal release. This chapter includes an investigation into the role of amino acid mutations typical of dim-light adapted vertebrates, D83N and A292S, in regulating functional properties of bovine and avian RH1s using site-directed mutagenesis. Together these chapters describe naturally occurring mutations in visual pigments and explore the way they can influence visual perception. These represent one of the few investigations of visual pigments from a species that is not a model lab organism and form a significant contribution to the field of visual pigment biochemistry and evolution.

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The study of cis-regulatory elements (CREs) will allow for increased understanding of regulation and lead to insight regarding the mechanisms governing growth, development, health, and disease. The aim of this study was to characterize the de novo in silico predictions of Arabidopsis CREs. Eight synthetic and 30 native promoter-constructs containing an eGFP/GUS reporter protein were generated for cold, genotoxic, heat, osmotic, and salt stress; the circadian clock; ABA signaling; root and epidermis tissue. Constructs were stably transformed into A. thaliana Col-0 and the effects of the CREs were evaluated by in planta stress or tissue assays using GUS expression levels. Results reveal a novel genotoxic element that specifically directs GUS expression in rosette leaves during genotoxic stress. Results also look promising for novel epidermis and root-specific elements. Results of these assays validate the de novo prediction pipeline's ability to identify novel and known CREs related to abiotic stress.

The study of cis-regulatory elements (CREs) will allow for increased understanding of regulation and lead to insight regarding the mechanisms governing growth, development, health, and disease. The aim of this study was to characterize the de novo in silico predictions of Arabidopsis CREs. Eight synthetic and 30 native promoter-constructs containing an eGFP/GUS reporter protein were generated for cold, genotoxic, heat, osmotic, and salt stress; the circadian clock; ABA signaling; root and epidermis tissue. Constructs were stably transformed into A. thaliana Col-0 and the effects of the CREs were evaluated by in planta stress or tissue assays using GUS expression levels. Results reveal a novel genotoxic element that specifically directs GUS expression in rosette leaves during genotoxic stress. Results also look promising for novel epidermis and root-specific elements. Results of these assays validate the de novo prediction pipeline's ability to identify novel and known CREs related to abiotic stress.

Visual pigments are light sensitive receptors in the eye that form the basis of sensory visual transduction. This thesis presents three studies that explore visual pigment proteins in vertebrates using a number of computational and experimental methods in an evolutionary framework. The objective is not only to identify, but also to experimentally investigate the functional consequences of genetic variation in vertebrate visual pigments. The focus is on great bowerbirds (Chlamydera nuchalis), which are a model system in visual ecology due to their spectacular behaviour of building and decorating courtship bowers. There are 4 chapters: Chapter 1 introduces background information on visual pigments and vision in birds. Among visual pigment types, the short-wavelength-sensitive (SWS1) pigments have garnered particular interest due to the broad spectral range among vertebrates and the importance of UV signals in communication. Chapter 2 investigates the evolutionary history of SWS1 in vertebrates with a view toward its utility as a phylogenetic marker. Chapter 3 investigates SWS1 evolution and short-wavelength vision in birds, with particular focus on C. nuchalis and its SWS1. The evolution of spectral tuning mechanisms mediating UV/violet vision in passerines and parrots is elucidated in this chapter using site-directed mutagenesis, protein expression, and phylogenetic recreation of ancestral opsins. While cone opsins mediate colour vision in bright light, the rhodopsin visual pigment contained in rod photoreceptors is critical for dim light vision. Detailed characterization of rhodopsin function has only been conducted on a few model systems. Chapter 4 examines C. nuchalis RH1 using a number of functional assays in addition to absorbance spectra, including hydroxylamine sensitivity and the rate of retinal release. This chapter includes an investigation into the role of amino acid mutations typical of dim-light adapted vertebrates, D83N and A292S, in regulating functional properties of bovine and avian RH1s using site-directed mutagenesis. Together these chapters describe naturally occurring mutations in visual pigments and explore the way they can influence visual perception. These represent one of the few investigations of visual pigments from a species that is not a model lab organism and form a significant contribution to the field of visual pigment biochemistry and evolution.

Les hydrocarbures pétroliers sont expédiés et utilisés dans pratiquement toutes les parties du monde et sont devenus l’un des contaminants parmi les plus communs et les plus répandus dans les sols. Les éléments traces sont parfois associés aux hydrocarbures, ce qui peut augmenter la toxicité d’un site, compliquer les voies possibles de remédiation, et augmenter les coûts de traitements traditionnels. Dans les régions nordiques, où des déversements sont recensés dans de nombreux sites, le temps de nettoyage des contaminants et les coûts des méthodes d’assainissement traditionnelles peuvent s’avérer considérablement plus élevés que dans les régions tempérées. Des recherches alternatives visant une remédiation plus rapide et moins coûteuse, adaptée à des climats subarctiques, sont nécessaires et l’utilisation de plantes et champignons indigènes à l’écosystème local sont des approches prometteuses. En parallèle, les gouvernements de multiples pays visent à réduire les émissions de gaz à effet de serre, notamment par la réduction des déchets putrescibles voués à l’enfouissement. En utilisant ces matières résiduelles fertilisantes obtenues localement dans le processus de décontamination, une opportunité se présente pour valoriser ces matières tout en décontaminant des sites. Cette recherche doctorale vise à développer des méthodes de bioremédiation adaptées aux conditions locales, avec des intrants indigènes aux régions d’étude, pour des sols contaminés aux HCP au sein de trois projets de recherche à grande échelle sur le terrain, dont un également contaminé aux éléments traces. Deux projets ont été effectués dans un climat subarctique au 60° parallèle (Whitehorse, Yukon), en utilisant une approche novatrice de phytoremédiation assistée de champignons et compost municipal; nous qualifions cette technique intégrée d’approche par « microsystème écologique ». Comme le volume de sol affecte beaucoup l’efficacité des méthodes de bioremédiation, des volumes considérables de 0.15 m3 et 1 m3 ont été utilisés (au premier et deuxième site, respectivement), pour maximiser la pertinence des résultats lors de transfert d’échelles futures. Au premier site, l’efficacité des différentes composantes du microsystème a été évaluée en bacs dans quatre différentes combinaisons et comparée au traitement de base habituel (fertilisant) dans un sol contaminé par un déversement accidentel de diésel. La plante choisie était le saule Salix planifolia et le champignon Pleurotus ostreatus. Les résultats indiquent qu’après une saison de traitement, le microsystème était le traitement avec le taux d’élimination du diésel le plus rapide. Après trois saisons, les traitements contenant un ou plusieurs éléments du microsystème avaient des taux de contamination sous les normes pour des sols agricoles et étaient plus efficaces que le traitement au fertilisant ou que l’atténuation naturelle. Le deuxième site était une fosse à huiles usées située sur une pile de stériles miniers au cœur d’un ancien dépotoir. Le microsystème a été implanté dans des cellules au sol avec une doublure à l’épreuve du lessivât de contaminants. Les saules Salix alaxensis et Salix planifolia furent utilisés en combinaison avec le champignon Trametes versicolor. Cette approche, dans un sol hautement contaminé, a réussi à diminuer de façon considérable les hydrocarbures pétroliers (plus de 65 à 75 %). Le potentiel d’accumulation des métaux dans les tissus aériens des plantes a également été mesuré. Les deux espèces de saules ont démontré des taux d’accumulation d’éléments traces distincts et des stratégies racinaires différentes. Un champignon de la famille des Psathyrellaceae fut observé pour la première fois sur un site si hautement contaminé, puis est apparu de façon récurrente sur les cellules du microsystème pendant quatre ans. Les deux premiers sites répondent à un besoin de développer des méthodes de bioremédiation efficaces, passives et applicables en climat subarctique. Le troisième site de recherche porte sur l’utilisation de deux matières résiduelles fertilisantes (bois raméal fragmenté et drêche) et de fumier pour la dégradation de l’huile à moteur dans un climat continental humide à une latitude moyenne (Neuville, Québec). Des mésocosmes de 0.76 m3 avec aération contrôlée furent utilisés. L’utilisation de bois raméal fragmenté et de drêche de brassage à cette échelle, de même que l’acquisition des matières résiduelles dans un rayon très rapproché du centre de traitement afin d’explorer une approche d’économie circulaire dans un tel contexte, constituent les volets novateurs de cette étude. Les résultats démontrent que le fumier est plus efficace que le traitement habituel au fertilisant. La drêche de brassage et le bois raméal fragmenté sont utiles pour conserver l’humidité dans les sols (un paramètre de bioremédiation important). Cette étude, menée en collaboration avec un partenaire industriel, s’intègre dans la politique canadienne et québécoise de réductions des gaz à effets de serre et la philosophie de l’économie circulaire en valorisant des matières organiques résiduelles locales. Cette thèse a permis de démontrer qu’une combinaison de stratégies de bioremédiation avec des composantes locales est une méthode efficace dans un climat subarctique. Deux nouvelles espèces de saules (Salix planifolia et Salix alaxensis) ont été utilisées avec succès pour la bioremédiation d’hydrocarbures pétroliers et pour l’accumulation de certains éléments traces. Lors d’une collaboration avec un partenaire industriel, il a été possible de démontrer l’applicabilité de certains concepts d’économie circulaire et d’approche écosystémique en bioremédiation. / Petroleum hydrocarbons are shipped and used in virtually all parts of the world and have become one of the most common and widespread contaminants in soils. Trace elements are sometimes associated with them, and they can increase the toxicity of a site, complicate remediation, and increase the costs of traditional treatments. In northern areas where spills occur at multiple sites, the clean-up time and cost of traditional remediation methods can be significantly higher than in temperate regions. Alternative research aimed at faster and cheaper remediation adapted to subarctic climates is needed and the use of native plants and fungi integrated into the local ecosystem are promising approaches. Concurrently, governments in multiple countries aim to reduce greenhouse gas emissions, namely through the reduction of putrescible waste destined for landfills. By using locally-sourced residual fertilizing materials for decontamination processes, an opportunity arises to valorize these materials while restoring soils. This doctoral research aims to develop locally-adapted bioremediation methods, with indigenous plant and fungal inputs, to treat petroleum hydrocarbon contaminated soils in three large-scale field research projects, including one also contaminated with trace elements. Two projects were carried out in a subarctic climate at the 60 ° parallel (Whitehorse, Yukon), using an innovative approach of phytoremediation assisted by mushrooms and municipal compost; we call this integrated technique the "ecological microsystem" approach. Because soil volume has significant impacts on the efficiency of bioremediation methods, considerable volumes of 0.15 m3 and 1 m3 were used (at the first and second sites, respectively) to maximize the relevance of results in the event of a scale-up operation. At the first site, the effectiveness of the various components of the microsystem were evaluated in four different combinations, as well as compared to the usual basic treatment (fertilizer) in soil contaminated by an accidental diesel spill. The plant species chosen was Salix planifolia and Pleurotus ostreatus was selected for the fungus. Results indicate that after one treatment season, the microsystem was the treatment with the fastest diesel removal rates. After three seasons, treatments containing one or more elements of the microsystem were below standards for agricultural soils and were more effective than fertilizer treatment or natural attenuation. The second northern site was a waste oil pit located on top of a mine waste rock pile, at the heart of an old landfill. The microsystem was implanted into ground-level cells with a contaminant-proof leachate liner. The plant species Salix alaxensis and Salix planifolia were used in combination with the fungus Trametes versicolor. This approach in a highly contaminated soil was able to significantly reduce petroleum hydrocarbons (65 to 75%). The potential for metal accumulation in aerial plant tissues was also measured. Both willow species demonstrated distinct trace element accumulation patterns and different rooting strategies. A fungus of the Psathyrellaceae family was observed for the first time at a site so highly contaminated and was recurrent on the cells of the microsystem for 4 years. The first two sites contribute to the development of efficient and passive bioremediation methods applicable in subarctic climates. The third research site focused on the use of two residual fertilizing materials (fragmented rameal wood and brewer’s spent grain) and manure for the degradation of motor oil in a humid continental climate at a medium latitude (Neuville, Quebec). Mesocosms of 0.76 m3 with controlled aeration were used. Innovative aspects of this project include the use of rameal wood and spent grain at this scale, as well as the acquisition of residual materials in a very close radius of the treatment center to explore how a circular economy approach could apply in such a context. Results indicate that the addition of manure is more effective than the usual fertilizer treatment alone. Brewer’s spent grain and fragmented rameal wood were useful for maintaining soil moisture (an important bioremediation parameter) but did not increase degradation. This study, conducted in close collaboration with an industrial partner, falls under the objectives set by Canadian and Quebec policy on greenhouse gas reductions and circular economy approaches by working on the valorization of local residual organic matter. This thesis has demonstrated that combining strategies with local biological components is an effective bioremediation method in a subarctic climate. Two new willow species (Salix planifolia and Salix alaxensis) have been successfully used for the bioremediation of petroleum hydrocarbons and for the accumulation of certain trace elements. In collaboration with an industrial partner, it has been possible to demonstrate the applicability of certain circular economy concepts and the ecosystemic approach to bioremediation.

La sélection des habitats est un comportement important reliant des individus aux conditions environnementales de leur habitat. Elle est généralement étudiée pour faire des inférences sur les patrons de distribution des populations. Or, la sélection des habitats peut varier entre individus d’une même population et cette variation peut excéder la variation observée entre les populations. D’une part, si la sélection des habitats est adaptative, on peut supposer que les individus sélectionneront des habitats leur permettant de maximiser leur performance. D’autre part, les conditions environnementales dans les habitats peuvent affecter les performances individuelles, impliquant ainsi que la sélection des habitats peut avoir des conséquences physiologiques. Par ailleurs, l’environnement social peut influencer la performance physiologique des individus. L’objectif général de la thèse est l’étude des déterminants et des conséquences physiologiques de la sélection des habitats chez les poissons. Dans un premier temps, nous avons créé et comparé la capacité prédictive de modèles de sélection des habitats pour l’achigan à petite bouche Micropterus dolomieu intégrant la variabilité individuelle. Nos résultats ont démontré que l’intégration de la variabilité individuelle permettait d’identifier les variables influençant la sélection des habitats au niveau individuel, des groupes et de la population. Les modèles incluant les variables représentant la présence de refuges dans les habitats avaient un meilleur pouvoir prédictif que ceux qui ne les incluaient pas. Par ailleurs, des groupements d’individus présentant des similitudes dans leur sélection d’habitats ont été identifiés. Malgré tout, la variabilité dans la sélection des habitats entre les individus était nettement plus grande que la variabilité entre les groupes. Nous avons démontré que la présence de refuge était la variable la plus importante à considérer dans les modèles de sélection d’habitats pour les achigans à petite bouche. Nous avons ensuite investigué si la présence de refuge pouvait influencer différents traits métaboliques des achigans à petite bouche grâce à des expériences de respirométrie en laboratoire. La présence de refuge a diminué les taux métaboliques au repos (RMR) des achigans provenant d’un lac alors qu’il n’y a pas eu d’effet sur les achigans provenant d’une rivière. En considérant la position hiérarchique des individus, nous avons noté que les individus dominants avaient un temps de récupération plus court en présence de refuge alors que la présence de refuge n’a rien changé pour les individus soumis. Finalement, nous avons étudié si l’environnement social, en particulier la taille du groupe social, pouvait influencer l’estimation des taux métaboliques des poissons en présence ou en absence de refuge. Nous avons cette fois mené des expériences sur des vairons Phoxinus phoxinus, des poissons très sociaux. Les vairons gardés en petits groupes avaient des taux métaboliques plus élevés que ceux gardés en grands groupes. La présence de refuge a diminué les taux métaboliques indépendamment de la taille des groupes. Nos résultats ont démontré que la taille des groupes peut influencer les dépenses énergétiques des individus, ce qui souligne l'importance de comprendre le rôle des dynamiques sociales sur les variations dans les traits métaboliques. Les résultats de la thèse démontrent l’importance de tenir compte de l’environnement physique et de l’environnement social pour mieux comprendre les conséquences physiologiques de la sélection des habitats. / Habitat selection is an important behaviour that relates individuals to the environmental conditions in their habitat, and is generally studied to infer population-level patterns of distributions. Habitat selection varies among individuals and there is growing evidence that individual differences often exceed population differences in habitat selection. On the one hand, if habitat selection is adaptive, it could be hypothesized that individuals would select habitats that would maximize their fitness. On the other hand, environmental conditions in habitats can have physiological consequences, which can be amplified or masked by the social environment. Therefore, the general objective of this thesis was to better understand the determinants and physiological consequences of habitat selection. We created and compared the predictive capacity of habitat selection models for smallmouth bass Micropterus dolomieu integrating individual variability. Our results show that by integrating individual variability, we could identify variables influencing individual-, group-, and population-level habitat selection. Models that included variables referring to presence of shelter had the best predictive capacity. Further, we identified groups of individuals defined by their habitat selection. Nevertheless, variation in habitat selection among individuals was higher than that among groups. Presence of shelter was the main correlate of habitat selection for smallmouth bass. We then we tested whether presence of shelter could influence smallmouth bass metabolic traits estimated during respirometry trials. In presence of shelter, resting metabolic rates (RMR) were lower than in absence of shelter for smallmouth bass from a lake population. There was no difference in RMR for smallmouth bass from a river population. Further, dominant individuals showed reduced recovery time (RT) in presence of shelter, while no difference was observed in subordinate individuals. We investigated how social group size and availability of shelter could influence metabolic rate. This project was conducted on Eurasian minnow Phoxinus phoxinus, a highly social fish. Fish held in smaller groups had higher standard metabolic rate as compared to that of fish held in larger groups. Presence of shelter during respirometry trials was associated with reduced metabolic rates, regardless of group size fish were held in. Our results suggest that social group size may directly influence energy demands of individuals, highlighting the importance of understanding the role of group size on variations in physiological traits associated with energy expenditure. Our results highlight the importance of considering the physical and social environment to better understand the physiological consequences of habitat selection.

Le parasitisme est de plus en plus considéré comme un facteur écologique pouvant créer des variations dans le comportement des individus. Toutefois, la direction de causalité entre le comportement et le parasitisme reste incertaine. Les infections expérimentales sont le plus souvent réalisées en laboratoire, limitant les inférences écologiques. À l’aide d’une infection expérimentale semi-naturelle, nous avons infecté avec succès des crapets-soleils (Lepomis gibbosus) dans un lac où ils ont été exposés à une variété de vers parasites (trématodes, cestodes), permettant d’examiner les effets de la co-infection naturelle chez les hôtes. Nous avons mesuré la témérité, l’exploration et l’activité avant et après l’infection expérimentale. En utilisant une approche bayésienne, nous avons trouvé que les traits de comportement initiaux exercent une forte influence sur la susceptibilité à l’infection : les poissons les plus téméraires et/ou les moins actifs au départ ont acquis une plus grande densité de points noirs (c.-à-d. points noirs visibles sous la peau, les nageoires et dans les muscles du poisson) et de cestodes lors de l’infection. Par ailleurs, nous avons montré que la condition corporelle est réduite par la densité de cestodes, suggérant la débilitation de l’hôte. La condition corporelle était corrélée positivement avec la distance parcourue, quel que soit le statut d’infection individuel. Nous avons également trouvé une relation négative entre la distance parcourue après l’infection et la densité de trématodes, suggérant que l’infection causant la maladie des points noirs diminue le niveau d’activité des hôtes. La témérité et l'exploration n'étaient pas affectées par la densité parasitaire ou la condition corporelle. Nous suggérons que la diminution de l’activité est causée par une réponse adaptative de l’hôte, visant à rediriger son énergie pour combattre l’infection. Sachant que les points noirs ont un cycle de vie complexe et que le crapet-soleil est un hôte intermédiaire, ce changement dans le comportement de l’hôte pourrait aider le parasite à compléter sa transmission aux oiseaux-hôtes piscivores en augmentant la prédation sur les poissons infectés. Bien que nous ne puissions confirmer la direction de causalité, nos résultats montrent qu’il existe un lien étroit entre le comportement et le parasitisme. Nous suggérons que deux mécanismes peuvent simultanément agir : le comportement initial des individus influence le risque d’infection, et l’infection peut créer de la variation au niveau de la plasticité comportementale des individus. / Parasitism is increasingly seen as an ecological factor that can create variations in individual behaviour. However, the direction of causality between behaviour and parasitism remains uncertain. Experimental infections are most often conducted in laboratories, limiting ecological inferences. Using a semi-natural experimental infection, we successfully infected pumpkinseed sunfish (Lepomis gibbosus) in a lake where they were exposed to various parasitic worms (trematodes, cestodes), allowing us to examine the effects of natural co-infection in hosts. We measured boldness, exploration, and activity before and after the experimental infection. Using a Bayesian approach, we found that initial behavioural traits strongly influence infection susceptibility: initially bolder and/or less active fish acquired a higher density of black spots (i.e., visible black spots under the skin, fins, and in the fish's muscles) and cestodes during the infection. Additionally, we found that body condition was reduced by cestode density, suggesting host debilitation. Body condition was positively correlated with distance swam, regardless of individual infection status. We also found a negative relationship between distance swam after infection and trematode density, suggesting that infection causing black spot disease decreases host activity levels. Boldness and exploration were not affected by parasite density or body condition. We suggest that a decrease in activity is caused by an adaptive host response to redirect its energy to combat the infection. However, since trematode parasites have a complex life cycle and pumpkinseed sunfish are intermediate hosts, decreases in activity levels following infection may make infected fish more susceptible to predation by piscivorous birds, which is needed for trematodes to complete their life cycles. While we cannot confirm the direction of causality, our results show a close link between behaviour and parasitism. We propose that two mechanisms may simultaneously operate: the initial behaviour of individuals influences their risk of infection, and infection can create variation in behavioural plasticity of individuals.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'anion superoxyde peut agir comme une molécule de signalisation ou comme un facteur préjudiciable selon sa concentration, l'organe cible, et selon la présence ou non d'antioxydants neutralisants. Actuellement, dans les cellules musculaires lisses (CMLs) vasculaires, les effets de l'anion superoxyde sur les différentes voies de transduction du signal et sur les interactions croisées entre ces voies ne sont pas encore définies. Par conséquent, une meilleure connaissance des effets de l'anion superoxyde sur les différentes voies de signalisation pourrait fournir une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents aux fonctions altérées des CMLs vasculaires observées dans des conditions pathologiques. L'objectif général de cette étude était de caractériser et d'évaluer le rôle modulateur de l'anion superoxyde, produit par la réaction de l'hypoxanthine avec la xanthine oxidase, sur les activités de différentes voies de signalisation dans les CMLs vasculaires, et de déterminer si la sensibilité de différentes voies de signalisation à l'anion superoxyde était altérée dans l'hypertension artérielle. Le projet de ce programme de recherche était basé sur les principaux postulats suivants : (1) l'anion superoxyde pourrait affecter sélectivement la production d'inositol 1,4,5-triphosphates (IP3), de GMPc, ou d'AMPc dans les CMLs vasculaires; (2) le rôle modulateur de l'anion superoxyde pourrait être dû à une altération des interactions croisées entre différentes voies de signalisation; et (3) les anomalies observées dans les CMLs vasculaires chez le rat spontanément hypertendu (SHR) pourraient être reliées à des altérations des différentes voies de signalisation induites par l'anion superoxyde. Une production augmentée d'1P3induite par l'anion superoxyde dans les CMLs d'aorte de rat ou d'artère mésentérique en culture a été démontrée pour la première fois dans cette étude. L'anion superoxyde a augmenté la formation d'IP3d'une manière concentration-dépendante et temps-dépendante. La superoxyde dismutase (SOD), mais non la catalase, a inhibé significativement la formation d'IP3 induite par l'anion superoxyde. L'inhibition de la phospholipase C (PLC) a aboli l'effet de l'anion superoxyde sur la formation d'1P3. La génistéine et la tyrphostine A25, deux inhibiteurs de la tyrosine kinase, ont aussi inhibé significativement la formation d'IP3induite par l'anion superoxyde. L'utilisation d'anticorps anti-PLCy a atténué significativement la formation d'1P3induite par l'anion superoxyde. De plus, le taux d'expression des protéines de la PLCy a été augmenté après l'exposition des CMLs à l'anion superoxyde. Ces observations suggèrent donc que dans les CMLs vasculaires la formation d'1P3 induite par l'anion superoxyde pourrait être en grande partie secondaire à une augmentation de l'activité de la tyrosine kinase liée aux voies de signalisation de la PLCy. En ce qui concerne la voie du GMPc, l'anion superoxyde a diminué significativement les niveaux de base de GMPc et supprimé aussi l'augmentation des niveaux de GMPc induite par des stimulateurs de la guanylyl cyclase, le nitroprussiate de sodium (NPS) ou la s-nitroso-nacétylpénicillamine (SNAP). La formation d'1P3stimulée par l'anion superoxyde a été significativement inhibée par le NPS ou la SNAP, mais potentialisée de façon importante par un inhibiteur de la guanylyl cyclase l'ODQ ou par le KT5823 (un inhibiteur de la protéine kinase dépendant du GMPc). Cependant, l'anion superoxyde n'a pas eu d'effet sur les niveaux de base d'AMPc ou sur la production d'AMPc induite par la forskoline et de plus, l'inhibition de l'adénylyl cyclase ou de la protéine kinase dépendante de l'AMPe n'a pas affecté la formation d'lP3stimulée par l'anion superoxyde. Ces données, par conséquent, suggèrent que l'inhibition de la formation de GMPc par l'anion superoxyde contribue probablement à l'activation de la formation d'1P3induite par l'anion superoxyde en atténuant le rétrocontrôle inhibiteur du GMPc sur les voies de signalisation liées à la PLC, tandis que la voie de signalisation de l'AMPc ne serait pas impliquée dans la formation d'EP3induite par l'anion superoxyde. Dans les CMLs vasculaires de rat SHR, les effets de l'anion superoxyde ont été plus puissants que dans les CMLs de rat WKY, en ce qui concerne l'augmentation de formation d'1P3, la diminution des taux de GMPc et la facilitation induite par l'anion superoxyde des interactions croisées entre les voies du GMPc et de 1'IP3. Dans les CMLs vasculaires des deux souches de rat, la formation d'IP3induite par l'anion superoxyde a été inhibée par une variété d'antioxydants, dont la N-acétylcystéine, l'acide a-lipoïque, la mélatonine et la SOD. Il apparaît donc vraisemblable que l'hypersensibilité à l'anion superoxyde des voies de 1'IP3et du GMPc puissent contribuer à l'augmentation du tonus vasculaire et de la réactivité des CMLs dans l'hypertension artérielle. Nous avons aussi investigué si l'effet de la mélatonine était dû à ses propriétés antioxydantes. Un effet inhibiteur plus important de la mélatonine sur la contraction aortique induite par la norépinéphrine (NE) a été observé chez les rats SHR en comparaison avec les rats Wistar-Kyoto (WKY). L'inhibition par la mélatonine de la formation d'IP induite par la NE a été aussi plus importante dans les CMLs aortiques de rat SHR que dans celles de rat WKY. Les effets plus puissants de la mélatonine chez le rat SHR, qui ont été aussi observés avec la SOD, mais non avec la catalase, ne sont pas dûs à l'activation des récepteurs à la mélatonine ou des récepteurs a-adrénergiques. Ces résultats indiquent que les effets anti-hypertenseurs de la mélatonine sont largement dûs à l'inactivation de l'anion superoxyde, et que les niveaux endogènes d' antioxydants ne parviennent pas à contrecarrer les niveaux accrus d'anion superoxyde produits chez le rat SHR. En conclusion, cette étude révèle une variété de nouveaux mécanismes de signalisation de l'anion superoxyde. Pour la première fois, il a été démontré que l'anion superoxyde active l'hydrolyse des phosphoinositides et augmente les taux d'IP3dans les CMLs vasculaires, principalement par la stimulation de la tyrosine kinase liée à la voie de signalisation de la PLCy. Il a aussi été observé que l'anion superoxyde réduit la formation de GMPc et supprime l'inhibition croisée de 1'1P3par le GMPc, facilitant ainsi la formation d'1P3. Les effets sélectifs de l'anion superoxyde sur les voies de 1'IP3et du GMPc, ainsi que l'existence d'une inhibition croisée de la formation d'1P3par la voie du GMPc, révèlent des mécanismes nouveaux pour expliquer le rôle modulateur de l'anion superoxyde sur les voies de signalisation dans les CMLs. Par conséquent, les effets plus puissants de l'anion superoxyde sur la signalisation de la voie de 1'IP3et de la voie du GMPc dans les CMLs vasculaires de rat SHR, effets qui ont été démontrés pour la première fois dans cette étude, pourraient être responsables des altérations des mécanismes de transduction du signal cellulaire chez le rat SHR et ainsi contribuer au développement et/ou au maintien de l'hypertension artérielle. Ces observations permettent donc d'imaginer de nouvelles orientations pour le développement de nouvelles stratégies pour la prévention ou le traitement de l'hypertension artérielle. / Superoxide anion can act as a signalling molecule or a detrimental factor depending on its concentration, the targeted organ, and the presence of counteracting antioxidants. The effects of superoxide on different signal transduction pathways and on the cross-talk interactions among these pathways in vascular smooth muscle cells (SMCs) are presently still unsettled. Therefore, a better knowledge on the effects of superoxide on different signalling pathways may provide a better understanding of the mechanisms underlying the altered functions in vascular SMCs observed in pathological conditions. The general objective of this study was to characterize and evaluate the modulating role of superoxide generated by the hypoxanthine and xanthine oxidase reaction on the activities of different signalling pathways in vascular SMCs and to investigate whether the sensitivities of different signalling pathways to superoxide were altered in hypertension. The design of the present research program was based on the following major postulates. (1) superoxide might selectively affect the generation of inositol 1,4,5-triphosphates (IP3), cGMP, or cAMP in vascular SMCs; (2) the modulating role of superoxide might be mediated by alteration in the cross-talk interactions among different signalling pathways; and (3) the abnormalities observed in vascular SMCs from spontaneously hypertensive rats (SHR) might be related to the alterations induced by superoxide on different signalling pathways. An enhanced production of 1P3induced by superoxide in cultured SMCs from rat aorta or mesenteric artery was demonstrated, for the first time, in this study. Superoxide increased 1P3 formation in a concentration- and time-dependent manner. Superoxide dismutase (SOD), but not catalase, significantly inhibited the superoxide-increased 1P3formation. The inhibition of phospholipase C (PLC) abolished the effect of superoxide on IP3formation. Genistein and tyrphostin A25, two tyrosine kinase inhibitors, also significantly inhibited the superoxideinduced IP3formation. The application of antibody against PLCI, significantly attenuated the superoxide-induced 1P3formation. Moreover, the expression level of PLC7proteins was increased after exposing SMCs to superoxide. These observations thus suggest that superoxideinduced IP3 formation may be in a great part secondary to an increase in the activity of tyrosine kinase-link PLCy signalling pathways in vascular SMCs. Concerning the cGMP pathway, superoxide significantly decreased the basal levels of cGMP and also suppressed the rise in cGMP levels induced by guanylyl cyclase stimulator sodium nitroprusside (SNP) or s-nitroso-n-acetylpenicillamine (SNAP). The superoxide-induced IP3 formation was significantly inhibited by SNP or SNAP, but markedly potentiated by a guanylyl cyclase inhibitor ODQ or KT5823 (a cGMP-dependent protein kinase inhibitor). However, superoxide had no effect on the basal levels of cAMP or the forskolin-induced cAMP production and moreover, the inhibition of adenylyl cyclase or cAMP-dependent protein kinase did not affect the superoxide-enhanced IP3formation. These data, therefore, suggest that the reduced cGMP formation by superoxide probably contributes to the superoxide induced activation of 1P3 formation by lifting the inhibitory feedback of cGMP on the PLC pathway(s), whereas, the cAMP pathway may not be involved in the superoxide-induced IP3formation. In vascular SMCs from SHR, the effects of superoxide were more potent than in SMCs from WKY, including the increase in 1P3 formation, the decrease in cGMP levels, and the superoxide-induced facilitation of the cross-talk interaction between cGMP and IP3pathways. The superoxide-induced 1P3formation was inhibited by a variety of antioxidants, including nacetylcysteine, cc-lipoic acid, melatonin and SOD, in vascular SMCs from both strains. It thus appears that the hypersensitivity of 1P3and cGMP pathways to superoxide is likely to contribute to the increased vascular tone and reactivity of SMCs in hypertension. Whether the effect of melatonin is due to its antioxidant properties was also explored. A greater inhibitory effect of melatonin on the norepinephrine (NE)-induced aortic contraction was observed in SHR than in Wistar-Kyoto rats (WKY). The inhibition of the NE-induced IP formation by melatonin was also greater in aortic SMCs from SHR than that from WKY. The enhanced effects of melatonin in SHR, which were found to be similarly enhanced with SOD but not with catalase, were not mediated by melatonin receptors or oc-adrenoceptors. These results indicate that the anti-hypertensive effects of melatonin are largely due to the scavenging of superoxide, and that the levels of endogenous antioxidants may not counteract the levels of overproduced superoxide in SHR. In conclusion, this study reveals a variety of novel signalling mechanisms for superoxide. For the first time, it was demonstrated that superoxide activates the hydrolysis of phosphoinositides and increases IP3levels in vascular SMCs mainly through the stimulation of tyrosine kinase-link PLCy signal pathway. It was also found that superoxide reduces cGMP formation and suppresses the cross-inhibition of IP3by cGMP, thus facilitating 1133formation. The selective effects of superoxide on 1133and cGMP pathways as well as the existence of a cross-inhibition of IP3formation by cGMP pathway provide novel mechanisms for the signalling role of superoxide in vascular SMCs. Therefore, the altered signalling effects of superoxide on the IP3pathway and the cGMP pathway, which were demonstrated in vascular SMCs from SHR for the first time in this study, could thus be responsible for the alterations in cellular signal transduction mechanisms in SHR and might contribute to the development and/or maintenance of hypertension. These observations could provide new avenues for the development of new strategies for the prevention or treatment of hypertension.

Glycosphingolipid (GSL) metabolism is a complex process involving proteins and enzymes at distinct locations within the cell. Mammalian GSLs are typically based on glucose or galactose, forming glucosylceramide (GlcCer) and galactosylceramide (GalCer). Most GSLs are derived from GlcCer, which is synthesized on the cytosolic leaflet of the Golgi, while all subsequent GSLs are synthesized on the lumenal side. We have utilized both pharamacological and genetic manipulation approaches to selectively regulate GSL metabolism and better understand its mechanistic details. We have developed analogues of GlcCer and GalCer by substituting the fatty acid moiety with an adamanatane frame. The resulting adamantylGSLs are more water-soluble than their natural counterparts. These analogues selectively interfere with GSL metabolism at particular points within the metabolic pathway. At 40 µM, adaGlcCer prevents synthesis of all GSLs downstream of GlcCer, while also elevating GlcCer levels, by inhibiting lactosylceramide (LacCer) synthase and glucocerebrosidase, respectively. AdaGalCer specifically reduces synthesis of globotriaosylceramide (Gb3) and downstream globo-series GSLs. AdaGalCer also increases Gaucher disease N370S glucocerebrosidase expression, lysosomal localization and activity. AdaGSLs, therefore, have potential as novel therapeutic agents in diseases characterized by GSL anomalies and as tools to study the effects of GSL modulation. Two predominant theories have been developed to explain how GlcCer accesses the Golgi lumen: one involving direct translocation from the cytosolic-to-lumenal leaflet of the Golgi by the ABC transporter P-glycoprotein (P-gp, ABCB1, MDR1), and the other involving retrograde transport of GlcCer by FAPP2 to the ER, followed by entry into the vesicular transport system for Golgi lumenal access. To examine the in vivo involvement of P-gp in GSL metabolism, we generated a knockout model by crossbreeding the Fabry disease mouse with the P-gp knockout mouse. HPLC analyses of tissue Gb3 levels revealed a tissue-specific reduction in MDR1/Fabry mice. TLC analyses, however, did not show such reduction. In addition, we performed a gene knockdown study using siRNA against P-gp and FAPP2. Results show these siRNA to have distinct effects on GSL levels that are cell-type specific. These results give rise to the prospect of unique therapeutic approaches by targeting P-gp or FAPP2 for synthesis inhibition of particular GSL pathways.