Thesis (Ph.D.)--Biomedical Engineering, Georgia Institute of Technology, 2008. / Committee Chair: Jo, Hanjoong; Committee Member: Griendling, Kathy; Committee Member: Harrison, David; Committee Member: Wang, May; Committee Member: Yoganathan, Ajit.

Thesis supervisor: M. Lei Geng. Includes bibliographic references (p. 203-217).

Epidemiological studies have shown that cholesterol is a major risk factor for the development of atherosclerosis. Since the atherosclerotic plaque develops over a long period interventions early in life may be of some benefit. In addition, it has been shown that the enzymes involved in cholesterol metabolism can be manipulated in early life. Therefore, studies of the developmental patterns of the key enzymes in cholesterol metabolism are of great importance. Acyl coenzyme A: cholesterol acyltransferase (ACAT) is the primary enzyme which catalyzes the conversion of free cholesterol to cholesterol esters in cells. A better understanding of the role and control of ACAT during development is needed in order to trace the possible causes in early life that lead to atherosclerosis in the adult. This research focused on the developmental pattern of ACAT in the rat liver, intestine, brown and white adipose tissue (BAT and WAT, respectively) and aorta. Age specific changes were observed in the rat liver, intestine and BAT. The rat liver and intestine possess significant amounts of ACAT activity throughout development and there appears to be marked variations in activity during this time. The rat BAT and WAT appear to be devoid of ACAT activity throughout development with the exception of adult BAT. Due to the small amount of the aortic tissue samples and/or the insensitivity of the assay, no definite conclusions could be made from this aortic study. In searching for factors that might control the ACAT enzyme the immediate effects of short-term manipulation of diet on the activity of ACAT were studied. The rats were all weaned early on day 18 to one of the following diets: Purina Rat Chow, high carbohydrate (HG) , high fat (HF) , or 2% cholesterol. The HF was the only diet that consistently increased hepatic ACAT activity in all the age groups. The cholesterol diets significantly increased the activity of ACAT in the 22 and 25 day old rats. The HG diet increased the activity of ACAT in the 22, 25, and 30 day old rats. No significant differences were observed between the adult control and HG diet groups. Feeding rats a HF or HG diet precipitated a dramatic drop in intestinal ACAT activity in the 22 day old animals. These effects were not observed in the older animals. The high cholesterol diet had no significant effect on the intestinal enzyme's activity in 22 day old rats. There was no significant change in the BAT and WAT ACAT activity with the experimental diets with the exception that all the experimental diets decreased ACAT activity in the adult BAT. / Medicine, Faculty of / Medicine, Department of / Experimental Medicine, Division of / Graduate

Magister Scientiae - MSc / Endozepine is an alternative name for the testis-specific isoform of the acyl-CoA binding protein (t-ACBP). Acyl-CoA binding proteins form a highly conserved family of proteins, which bind long chain fatty acid esters with nanomolar affinity. They are also known to be endogenous ligands to the --amino butyric acid (GABA) receptor in the central nervous system and to play a role in a wide variety of cellular functions such as vesicular trafficking, fatty acid biosynthesis and gene regulation. A role for endozepine in apoptosis was suggested through promoter gene trapping studies using CHO22 cells in which 90 % reduction in the expression of endozepine correlated with delayed mitochondrial permeabilization, a reduced activation of caspase-3 (an activator of apoptosis) and a consequent resistance to C2-ceramide induced apoptosis. Transduction studies using Tat-GFP-ELP fusion protein showed that endozepine restored the sensitivity of mutant CHO22 cells to C2-ceramide induced apoptosis. In this thesis, we have investigated two hypotheses for the involvement of endozepine in ceramide-induced apoptosis. The first hypothesis is that endozepine contributes to apoptosis through the transport of palmitoyl-CoA, a substrate required for the de novo synthesis of ceramide. The second hypothesis is that endozepine interacts directly with ceramide leading to interaction with peripheral benzodiazepine receptor and a subsequent opening of the mitochondria permeability transition pore, leading to apoptosis. / South Africa

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23230号 / 工博第4874号 / 新制||工||1761(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科合成・生物化学専攻 / (主査)教授 跡見 晴幸, 教授 森 泰生, 教授 浜地 格 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21276号 / 工博第4504号 / 新制||工||1700(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科合成・生物化学専攻 / (主査)教授 跡見 晴幸, 教授 森 泰生, 教授 梅田 眞郷 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

The ADP-ribose elongation catalyzed by poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) [EC 2.2.2.30] has been partially characterized utilizing mono (ADP-ribosyl)ated polyamines. Arginine methyl ester (AME)-(ADP-ribose) and agmatine (AGMT)-(ADP-ribose) were synthesized enzymatically with a eukarytic mono(ADP-ribosyl) transferase and cholera toxin, respectively.

Le coenzyme Q est une molécule lipophile rédox rencontrée chez les eucaryotes et chez la plupart des procaryotes. La structure de Q correspond à une benzoquinone substituée par une chaîne polyisoprényle dont la longueur varie selon les organismes. Q joue le rôle de transporteur d'électrons dans les chaînes respiratoires d'où provient la plupart de l'énergie de la cellule. La biosynthèse de Q chez la bactérie Escherichia coli comporte huit étapes et implique au moins neuf protéines (UbiA-UbiH et UbiX). Trois réactions d'hydroxylation sont nécessaires pour la biosynthèse de Q8 en conditions aérobies. Alors que les protéines UbiH et UbiF présentent des homologies de séquence avec des monooxygénases à flavine connues pour catalyser des réactions d'hydroxylation, UbiB qui a été proposée comme étant la troisième hydroxylase, présente uniquement une homologie de séquence avec des kinases. Nous rapportons dans ce travail que la protéine VisC, renommée UbiI, catalyse la réaction d'hydroxylation auparavant attribuée à UbiB. Nous avons également identifié deux nouvelles protéines (YigP et YqiC, renommées respectivement UbiJ et UbiK) importantes pour le métabolisme de Q chez Escherichia coli puisque leur mutation diminue fortement le contenu en Q des souches mutantes. Ces protéines interagissent avec la plupart des protéines connues pour participer à la biosynthèse de Q ce qui implique l'existence d'un complexe de biosynthèse de Q. En utilisant des approches biochimiques et protéomiques, nous avons pu mettre en évidence un complexe impliquant plusieurs protéines Ubi et notamment UbiJ et UbiK. Ces deux protéines semblent avoir un rôle dans l'assemblage et/ou la stabilisation de ce complexe multiprotéique. Enfin, nous nous sommes intéressés à la biosynthèse de Q dans des conditions de cultures anaérobies. Nos résultats montrent l'existence « d'hydroxylases anaérobies », inconnues à ce jour, qui remplaçent les hydroxylases aérobies UbiH, UbiI et UbiF. Grâce à une approche phylogénétique, nous identifions un gène important pour la biosynthèse de Q uniquement en conditions anaérobies suggérant une réorganisation de la biosynthèse de Q entre ces deux environnements fréquemment rencontrés par E. coli. L'ensemble de nos résultats a permis d'améliorer notre connaissance de la voie de biosynthèse procaryote de Q grâce à la découverte de nouveaux gènes impliqués dans ce processus et grâce à l'identification de la fonction moléculaire de certaines protéines. / Ubiquinone (Q) is a lipophilic compound that plays an important role in electron and proton transport in the respiratory chains of Escherichia coli. Besides this important role in energy production, Q also functions as a membrane soluble antioxidant. The biosynthesis of Q8 requires eight reactions and involves at least nine proteins (UbiA-UbiH and UbiX) in Escherichia coli. Three of these reactions are hydroxylations resulting in the introduction of a hydroxyl group on carbon atoms at position 1, 5 and 6 of the aromatic ring. The C1 and C6 hydroxylation are well characterized whereas the C5 hydroxylation has been proposed to involve UbiB, a protein kinase without any sequence homology with monooxygenase. In this work, by genetic and biochemical methods we provide evidence that VisC which we renamed UbiI, displays sequence homology with monooxygenases and catalyzes the C5 hydroxylation, not UbiB. We have identified two new genes, yqiC and yigP (renammed UbiJ and UbiK) which are required only for Q8 biosynthesis in aerobic conditions. The exact role of the corresponding proteins, renamed UbiJ and UbiK, remains unknown. These proteins are able to interact with other Ubi proteins to be able to produce Q supporting the protein complex hypothesis. Our progress on the characterization of an Ubi-complex regrouping several Ubi proteins suggest that UbiJ and UbiK may fulfill functions related to the Ubi-complex stability. Mutants affected in hydroxylation steps are deficient for Q8 in aerobic conditions but recover a wild type Q8 content when grown in anaerobic conditions. This intriguing observation supports the existence of an alternative hydroxylation system independent from dioxygen which has not been characterized so far. By phylogenetic studies, we have identified a new gene in which the deletion affect the biosynthesis of Q only in anaerobic conditions suggesting a reorganization of Q biosynthesis in these two conditions. Our results has improved our knowledge of the prokaryotic Q biosynthetic pathway through the discovery of new genes involved in this process and through the identification of the molecular function of some proteins.

Le coenzyme Q (ubiquinone ou Q) est une molécule organique lipophile composée d'une benzoquinone substituée et d'une chaîne polyisoprényle contenant 6 unités chez Saccharomyces cerevisiae (Q6), 8 chez Escherichia coli (Q8) et 10 chez l'homme (Q10). Q a un rôle bien connu de transporteur d'électrons dans les chaînes respiratoires et fonctionne également comme un antioxydant membranaire. La déficience primaire en Q10 a maintenant été attribuée à des mutations dans 6 gènes de la biosynthèse de Q10 et cause des pathologies sévères. La biosynthèse de Q6 est mitochondriale et nécessite au moins 9 protéines organisées au sein d'un complexe multiprotéique chez la levure (Coq1-Coq9). L'acide 4-hydroxybenzoique (4-HB) et l'acide para-aminobenzoique (pABA) sont les deux précurseurs connus du noyau aromatique de Q6. Malgré de nombreuses recherches et l'importance cruciale de Q dans le métabolisme eucaryote, certaines étapes de la voie de biosynthèse de Q ne sont pas connues. L'étude présentée dans ce manuscrit a permis de montrer l'implication de la protéine Coq6, proposée comme étant une mono-oxygénase à flavine, dans une seule des trois réactions d'hydroxylation que compte la voie de biosynthèse de Q6: l'hydroxylation en C5. De plus, notre étude sur Coq8, une protéine kinase dont sa surexpression stabilise le complexe multiprotéique, nous a permis de confirmer les fonctions de certaines protéines Coq (Coq5, Coq7), de découvrir la fonction de Coq6 et d'éclaircir le rôle des autres (Coq4, Coq9). Nous rapportons également que des analogues hydroxylés ou méthoxylés de 4-HB et du pABA peuvent court-circuiter des étapes déficientes des mutants particuliers conduisant ainsi à la synthèse du coenzyme Q6 dans ces derniers. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives pour traiter les déficiences en coenzyme Q10 qui jusqu'à présent sont traitées par supplémentation en Q. Finalement, la réaction de déamination, essentielle à la biosynthèse de Q6 à partir du pABA, reste incomprise mais nos résultats suggèrent fortement l'implication de Coq6 dans cette étape. / Coenzyme Q (ubiquinone or Q) is a lipophilic organic molecule composed of a substituted benzoquinone and a polyisoprenyl chain containing 6 units in Saccharomyces cerevisiae (Q6), 8 in Escherichia coli (Q8) and 10 in humans (Q10). Q has a well known role as an electron carrier in the mitochondrial respiratory chain and also functions as a membrane soluble antioxidant. Primary Q10 deficiency has now been linked to mutations in six genes of Q biosynthesis and results in severe pathologies. The biosynthesis of Q is mitochondrial and requires at least nine proteins in yeast (Coq1-Coq9). 4-hydroxybenzoate (4-HB) and para-aminobenzoic acid (pABA) are the long-known aromatic precursors of the benzoquinone ring of Q. Despite intensive research efforts and the biological importance of Q, some biosynthetic steps are still uncharacterized. Herein we report that Coq6, a predicted flavin-dependent monooxygenase, is involved exclusively in the C5-hydroxylation reaction. We also demonstrate that the overexpression of the protein Coq8, which is proposed to be a kinase, in Δcoq strains restores steady state levels of the unstable Coq proteins. Moreover, we provide evidence that the kinase activity is essential for the stabilizing effect of Coq8 in the Δcoq strains. The overexpression of Coq8 helped us clarify the role of some proteins (Coq4, Coq9). We also show that using synthetic analogues of 4-HB and pABA allows bypassing deficient biosynthetic steps in some mutants. This result opens new perspectives to address the deficiencies in coenzyme Q which until now are processed by Q supplementation. Finally, the deamination reaction, which is essential for Q6 biosynthesis from pABA remains misunderstood but our results strongly suggest the involvement of Coq6 in this step.

ARCA2 est une ataxie récessive qui se caractérise par une atrophie du cervelet et un léger déficit en coenzyme Q10. Des mutations dans le gène ADCK3 ont été récemment identifiées comme étant la cause d’ARCA2. ADCK3 code pour une kinase mitochondriale atypique, qui pourrait être impliquée dans la biosynthèse du coenzyme Q10. L’objectif de mon projet de thèse était d’élucider la physiopathologie d’ARCA2 en utilisant le modèle murin knockout pour Adck3. J’ai ainsi pu montrer que les souris Adck3-/- reproduisent de nombreux symptômes associés à ARCA2 et constituent un bon modèle pour étudier ARCA2. Au niveau du cervelet, les cellules de Purkinje sont spécifiquement touchées et présentent des anomalies morphologiques et fonctionnelles. Un léger défaut mitochondrial a été observé dans les muscles squelettiques des souris Adck3-/-. Enfin, une analyse transcriptomique de ces deux tissus a révélé des altérations de nombreuses voies, impliquant ADCK3 dans de nouveaux processus cellulaires. / ARCA2 is a form of recessive ataxia characterized by a slow progression of the ataxic phenotype, cerebellar atrophy and mild deficit in Coenzyme Q10. ARCA2 was recently found associated with mutations in the ADCK3 gene that encodes a putativemitochondrial kinase homologous to the yeast Coq8 and the bacterial UbiB proteins, which are required for Coenzyme Q biosynthesis. In order to elucidate the pathophysiology of ARCA2, a constitutive knockout mouse for Adck3 was generated.Adck3-/- mice reproduce many ARCA2 symptoms such as slow progression of the ataxic phenotype and mild Coenzyme Q deficit, suggesting that Adck3-/- mice are a good model to study ARCA2. Strikingly, a morphological and functional impairmentwas found in cerebellar Adck3-/- Purkinje cells, whereas a mild mitochondrial defect was observed in the skeletal muscle of Adck3-/- mice. Interestingly, transcriptomic analyses revealed alteration in a number of molecular pathways implicating ADCK3in novel cellular processes.