Le développement et le fonctionnement harmonieux des plantes dépendentde cofacteurscomme le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD). Outre ses rôles dansle recyclage rédox,le NAD est aussi impliqué dans des processus de signalisationcellulaire, particulièrementsollicités en situation de stress. Cela fait du NAD l’un desdéterminants majeurs del’homéostasie énergétique des plantes et donc des rendements descultures. Par uneapproche de génétique inverse ciblant la L-aspartate oxydase (AO),première enzyme de lavoie de biosynthèse du NAD, nous avons obtenu des plantes aux teneursconstitutivementaugmentées et diminuées en nucléotides à pyridine. L’étude de cesplantes a permisd’établir que (1) le NAD stimule la croissance, le développement et laproductivité desplantes, (2) coordonne les métabolismes photosynthétique, respiratoireet azoté, et (3)intervient dans les mécanismes de résistance aux stress biotiques etabiotiques. Les travauxcités ci-dessus font l’objet d’une valorisation industrielle. / The harmonious development and functioning of plants depend on severalcofactors such asnicotinamide adenine dinucleotide. Besides its roles in redox recycling,the NAD is alsoinvolved in cellular signalling processes, which are central actors instress situations. TheNAD is thus one of the main determinants of plant energy homeostasis,and therefore of cropyield. Through a reverse genetics approach targeting the L-aspartateoxidase (AO) – the firstcommitted enzyme of NAD biosynthesis – plants with constitutive eitherincreased ordecreased levels of pyridine nucleotides have been obtained. A furtherstudy of these plantsenabled to show that the NAD (1) can improve the growth, development andproductivity ofplants, (2) coordinates photosynthetic, respiratory and nitrogenmetabolisms, and (3) actsupon biotic and abiotic stress resistance mechanisms. This research isbeing valuedindustrially.

Pantothenate (vitamin B5), which is the invariable metabolic precursor to coenzyme A, is synthesized from L-aspartate and alpha-ketoisovalerate in a converging four-step process in bacteria. Here, structural studies of two enzymes of pantothenate biosynthesis in Escherichia coli, L-aspartate-alpha-decarboxylase and ketopantoate hydroxymethyltransferase, are described. Ketopantoate hydroxymethyltransferase catalyzes the transfer of a hydroxymethyl group on to alpha-ketoisovalerate, assisted by the cofactor 5,10-methylene-5,6,7,8-tetrahydrofolate. In order to determine the mode of cofactor binding to the protein, ketopantoate hydroxymethyltransferase was crystallized in the presence of two 5,10-methylene-5,6,7,8-tetrahydrofolate analogues and alpha-ketoisovalerate. X-ray diffraction patterns, collected on the in-house X-ray diffraction data collection facility, extended to 4.0 Angstroem. Unit cell dimensions derived from these diffraction patterns indicate an asymmetric unit with one decameric enzyme. A detailed comparative structural analysis of the fold of ketopantoate hydroxymethyltransferase was carried out. Based on this investigation it was possible to assign the enzyme to the phosphoenolpyruvate/pyruvate enzyme superfamily. Furthermore, similarities in the mode of ligand binding to the catalytic magnesium, as well as differences in the mechanisms between the enzymes within this superfamily could be delineated. In common with a small, but widely distributed, group of mechanistically-related enzymes, L-aspartate-alpha-decarboxylase is translated as an inactive pro-enzyme, which self-processes at a specific site. In this process of intra-molecular protein maturation a covalently bound pyruvoyl cofactor is formed. A fast purification system for eight L-aspartate-alpha-decarboxylase mutants was established that allows production of large amounts of enzyme. In order to gain insights into the molecular mechanism of self-processing, crystallographic studies were carried out. Several of the purified mutants have been crystallized. X-ray diffraction data from glycine 24 to serine and serine 25 to threonine mutants were collected, to a maximum resolution of 1.26 Angstroem. The respective crystal structures were solved by molecular replacement. Along with the structures of an unprocessed, native precursor form of L-aspartate-alpha-decarboxylase and a serine 25 to alanine mutation, the structure models were refined and evaluated, and the models deposited in the Protein Data Bank. Analysis of these four structures together with four other L-aspartate-alpha-decarboxylase mutant structures revealed specific conformational constraints on the self-processing mechanism. Threonine 57 and a water molecule could be identified as catalytic elements, most likely essential for acid-base catalysis, and stabilization of the oxyoxazolidine intermediate in the self-processing reaction. A molecular mechanism for self-processing in L-aspartate-alpha-decarboxylase, largely based on the threonine 57 and a water molecule, is proposed. The differences in the structures of the cleavage site of the serine 25 to alanine and serine 25 to threonine mutants, relative to the structure of the unprocessed native precursor, suggest that molecular models of the cleavage site and mechanisms, based solely on serine to alanine and serine to threonine mutants, may lead to erroneous interpretations of the mechanism. On comparison with other self-processing systems, particularly, glycosylasparaginase, remarkable parallels in the structural features of the environment of the cleavage site were identified.

Natural products are secondary metabolites produced by plants and microorganisms that often possess medicinal properties and are implicated in organismal defense. Drawbacks to utilizing natural products in the pharmaceutical industry are difficulties with isolation from biological sources and low yields that can lack stereospecificity from synthetic sources. It is paramount to solve these issues and to develop novel natural products to combat the growing antimicrobial resistance crisis, which was responsible for ~5 million deaths in 2019 alone. One approach is utilizing enzymes to synthesize existing natural products to improve the yields and stereospecificity issue. This dissertation is focused on the biochemical characterization of three enzymes-ZvFMO, OxaD, and CreE-that are implicated in the detoxification of natural products used for organismal defense or participate in the biosynthesis of novel natural products. Each of these enzymes belong to the flavin-dependent monooxygenase (FMO) family, which catalyze the oxygenation of a substrate, generating an oxidized product. ZvFMO, from the insect food crop pest, Zonocerus variegatus, was determined to catalyze a highly uncoupled oxygenation reaction of the nitrogen or sulfur atom of various substrates. OxaD, from Penicillium oxalicum F30, catalyzes novel sequential oxidation reactions of the indole nitrogen of roquefortine C. CreE, from Streptomyces cremeus, also catalyzes sequential nitrogen oxidation reactions to convert L-aspartate to nitrosuccinate en route to biosynthesis of cremeomycin. For each enzyme, the steady-state kinetics have been determined using an oxygen consumption assay and the rapid-reaction kinetics were measured using anaerobic time-resolved spectroscopy. All three enzymes feature a fast flavin reduction step and a slow flavin dehydration step. The oxygenation chemistry of each enzyme was found to proceed through a highly reactive oxygenating species, the C4a-hydroperoxyflavin. Site-directed mutagenesis efforts led to the identification of key active site residues involved in flavin motion and substrate binding, revealing important information about the active site architecture for enzyme engineering applications and drug discovery efforts. / Doctor of Philosophy / Natural products are compounds that are produced by many plants, fungi, and bacteria that have potent medicinal properties and can be used to defend the organism against pests. Unfortunately, using these compounds widely in the pharmaceutical industry is difficult because it is hard to isolate the compound of interest from the organism that produces it and attempts to produce it chemically can result in low yields. Additionally, the overuse of the current natural products, which are most of the antibiotics on the market today, has led to an extreme increase in the resistance of bacteria, fungi, and parasites to the natural product-based drug. Therefore, it is essential that a method is developed to produce novel natural products at high yields to combat the antimicrobial resistance crisis. One method is by using enzymes to generate the natural products of interest. Enzymes are biological catalysts that speed up reactions by ensuring that less energy is required to transition from a reactant to a product and are highly efficient. This dissertation focuses on the characterization of three enzymes that could aid in our understanding of natural product chemistry. All three enzymes insert an oxygen atom on a nitrogen of their respective reactant. The first enzyme ZvFMO, is from an insect and its reactivity causes the insect to become resistant to the natural product-based plant defense mechanism, demonstrating that ZvFMO is a great candidate for inhibitor design. OxaD is the second enzyme and is involved in producing natural products that have antimicrobial and anticancer properties. The last enzyme, CreE, is involved in generating the natural product, cremeomycin, which possesses potent antimicrobial and anticancer properties as well. The reactions of OxaD and CreE positions these enzymes as candidates to produce novel natural products and other efforts to expand their reactivity. The rates of each reaction step have been determined in this work. Key amino acids that contribute to the reaction chemistry and the uptake of the reactant have been identified, laying a solid foundation for drug discovery efforts.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Hepatic encephalopathy (HE) is a neuropsychiatric disorder occurring in both acute and chronic liver diseases. Depending on the duration and degree of hepatic dysfunction, HE may be present as one of two major types; portal-systemic encephalopathy (PSE) (chronic liver failure) and fulminant hepatic failure (FHF) (acute liver failure). Hyperammonemia is a key feature of both PSE and FHF and it is strongly suggested that ammonia toxicity is implicated directly or indirectly in the pathogenesis of both forms of HE. The present thesis comprises 5 articles demonstrating various aspects of the pathophysiology and new approaches to the treatment of HE. In chapter 2.1; article 1, using in vivo microdialysis, brain extracellular glutamate levels were found to be increased in correlation with arterial ammonia levels and the degree of neurological impairment in rats with FHF due to liver devascularization. N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor binding was found to be unchanged in rats with liver devascularization compared to control rats. Treatments for both forms of HE continue to focus on ammonia-lowering strategies. When administered to portacaval shunted (PCS) rats, L-ornithine-Laspartate (OA), two substrates of the urea cycle, was observed to result in a lowering of plasma ammonia and increased plasma urea levels as well as protection against ammonia-induced coma (chapter 2.2; article 2). In acute liver failure, peripheral ammonia is removed via muscle glutamine synthetase (GS). This was confirmed in the study (chapter 2.3; article 3) in rats with liver devascularization where OA also lowered plasma ammonia and protected rats against coma and brain edema. GS activity in muscle was increased following OA treatment. Mild hypothermia was shown to be protective against coma and brain edema in rats with liver devascularization (chapter 2.5; article 5). In mildly hypothermie rats, plasma ammonia levels were unaffected whereas cerebrospinal fluid (CSF) ammonia levels were lowered suggesting that hypothermia prevents increased ammonia uptake into brain. This protective effect was associated with a decrease in extracellular brain glutamate levels, supporting the proposal that glutamate may be implicated in the pathogenesis of brain edema in FHF. Although the precise pathophysiologic mechanisms responsible for HE in FHF are not completely understood, an increased glutamatergic neurotransmission could contribute to this phenomenon. Another potential neurotoxin, manganese, is believed to be implicated in the pathogenesis of PSE. Manganese levels were found to be increased in both autopsied brain tissue from patients and in brain tissue from experimental animal models of PSE (chapter 2.4; article 4). It is suggested that manganese deposition is responsible for the signal hyperintensities on T1-weighted magnetic resonance (MR) images and the extrapyramidal symptoms found in PSE. / L'encéphalopathie hépatique (EH) est un désordre neuropsychiatrique que l'on retrouve soit dans la période aiguë ou la phase chronique d'une maladie du foie. Ainsi, selon la durée de l'atteinte hépatique, l'EH peut se présenter de 2 façons : la première étant l'encéphalopathie porto-systémique et la seconde l'encéphalopathie rencontrée au cours des hépatites fulminantes. L'encéphalopathie porto-systémique est secondaire à la dérivation portosystémique du sang veineux tel que rencontré spontanément lors de l'hypertension portale ou soit suite à une anastomose portocave chirurgicale ou radiologique (shunt intra-hépatique porto systémique transjugulaire ou TIPS). Cliniquement, l'EH portosystémique est un syndrome neurologique qui se développe lentement; le stade précoce est souvent peu apparent et se caractérise par des modifications du cycle du sommeil ainsi que des changements mineurs de personnalité. Une baisse du niveau d’attention ainsi qu'une incoordination musculaire apparaissent ensuite, progressant lentement vers la léthargie, la stupeur et le coma. Du point de vue anatomopathologique, l'EH porto-systémique est caractérisée par une astrocytose sans évidence d'altérations neuronales structurelles. L'hyperammonémie est une caractéristique importante de l'EH portosystémique et de l'encéphalopathie aiguë des hépatites fulminantes. Il est admis que l'ammoniaque est impliquée directement et/ou indirectement dans la pathogénèse dans ces deux types d'EH. À forte concentration, l'ammoniaque a le potentiel d'affecter le système nerveux central de diverses façons. Il y a d'abord un effet direct de l'ion ammonium sur la neurotransmission inhibitrice ou excitatrice ainsi qu'une inhibition de l'enzyme a-cétoglutarate déshydrogénase dans le cycle de Krebs, ce qui a comme conséquence directe d'altérer le métabolisme énergétique du cerveau. Cependant, le métabolisme énergétique du cerveau ne semble affecté que dans les stades très avancés de l'EH porto-systémique ou d'encéphalopathie aiguë des hépatites fulminantes. L'insuffisance hépatique chronique se traduit par une augmentation des concentrations de manganèse dans le sang et le cerveau. Une sélectivité des dépôts de manganèse est l'hypothèse la plus probable afin d'expliquer les signaux hyperintenses localisés dans le pallidum tel que démontré par l'imagerie par résonance magnétique chez les patients cirrhotiques. La section 2.5 démontre que les dépôts de manganèse sont augmentés dans les globus pallidus prélevés à partir d’autopsie du tissu cérébral chez des patients cirrhotiques. La concentration de manganèse est aussi élevée dans le globus pallidus dans deux modèles animaux d'insuffisance hépatique chronique. De plus, une corrélation a été établie entre le degré de dérivation porto-systémique et la quantité de dépôts de manganèse. Au contraire, le manganèse cérébral n'est pas augmenté dans un modèle animal d'hépatite fulminante, ce qui suggère que l'accumulation découle de l'insuffisance hépatique chronique, plus particulièrement suite à une dérivation porto-systémique. L'EH est caractérisée par des perturbations de plusieurs systèmes de neurotransmission cérébrale. Le système glutamatergique est celui qui a été le plus étudié et on croit qu'il est impliqué dans la pathogénèse de l'EH. Des nouveaux traitements sont requis pour traiter ou stabiliser l'EH chez les patients atteints d'EH porto-systémique ou d'encéphalopathie aiguë afin d'augmenter la période de temps nécessaire pour pouvoir effectuer une transplantation. Les traitements actuels sont soit inefficaces ou comportent des effets secondaires très néfastes. Afin de traiter l'EH porto-systémique, on préconise comme thérapie des stratégies axées sur la diminution de l'ammoniaque sérique. La L-ornithine-L-aspartate (OA) est composée de deux substrats du cycle de l'urée qui se sont avérés efficaces pour réduire l'ammoniaque et améliorer les symptômes cliniques chez des patients hyperammonémiques ayant une EH portosystémique. Nous avons démontré un effet protecteur de l'OA sur le coma précipité par une infusion d'ammoniaque chez des rats ayant une dérivation porto-cave. L'effet protecteur s'accompagne d'une réduction significative de l'ammoniaque plasmatique ainsi que d'une augmentation significative de l'urée plasmatique, ce qui suggère que la réduction de la concentration plasmatique de l'ammoniaque est en partie le résultat d'une augmentation de la synthèse d'urée par le foie. Nous croyons aussi que l'OA peut, par l'intermédiaire des transaminases, mener à la production de trois molécules de glutamate. Ce substrat (le glutamate) peut ensuite stimuler l'activité de la glutamine synthétase dans les muscles, le foie et le cerveau pour ainsi former de la glutamine. Cette possibilité est soutenue par l'augmentation du glutamate et de la glutamine dans le plasma et le liquide céphalo-rachidien (LCR). Contrairement à l'EH porto-systémique, l’insuffisance hépatique fulminante (HF) progresse très rapidement en quelques heures ou jours seulement, vers un état mental altéré, la stupeur et finalement le coma. Les convulsions sont rares mais des myoclonies sont souvent rencontrées avant le coma. Dans cette condition, le taux de mortalité est élevé et la mort est souvent causée par une hernie du tronc cérébral secondaire à une hypertension intracrânienne causée par un oedème cérébral massif. L'oedème cellulaire des astrocytes est fréquemment observé mais l'astrocytose Alzheimer de Type II (voir insuffisance hépatique chronique) n'est pas une caractéristique neuropathologique de l'hépatite fulminante. L'ammoniaque est aussi incriminée dans la physiopathologie de ce type d'encéphalopathie. Afin d'élucider davantage la pathophysiologie de l'encéphalopathie des HF, nous avons mesuré, par le biais d'une microdialyse cérébrale in vivo, les concentrations extracellulaires des acides aminés dans le cortex frontal de rats atteints d'HF induite par dévascularisation hépatique afin d'établir une relation avec le degré d'atteinte neurologique. Dans ce modèle, on retrouve un oedème cérébral accompagné d'une augmentation de l'eau, tel que mesurée dans le cortex frontal. Les concentrations extracellulaires de glutamate sont significativement élevées trois heures avant le début du stade précoma et continuent à augmenter jusqu'à l'état comateux. Ces données suggèrent que l'HF mène à une augmentation de la libération de glutamate et/ou une diminution de la recapture du glutamate de l'espace extracellulaire. Récemment, des études sur le tissu cérébral de rats encéphalopathiques suite à une HF ont révélé une diminution de la concentration protéique et de l'expression génique de GLT-1, un transporteur astrocytaire du glutamate. L'augmentation de la production de la glutamine via la glutamine synthétase est aussi possiblement impliquée dans la pathogénèse de ce type d'encéphalopathie. Cependant, l'augmentation constante des concentrations de glutamine extracellulaire n'est pas corrélée avec la sévérité de l'encéphalopathie. Ceci suggère que la glutamine joue un rôle plutôt mineur dans la pathogénèse de l'oedème cérébral. Les traitements de l'encéphalopathie des HF sont axés sur le contrôle de l'hypertension intracrânienne. La transplantation hépatique demeure le traitement ultime mais d'autres traitements sont nécessaires afin de prolonger la vie des patients en attente de transplantation. Des stratégies visant à diminuer les taux d'ammoniaque ont été développées depuis qu'une étude récente a démontré que la survenue d'hernie cérébrale chez les patients souffrant d'HF était corrélée à la concentration artérielle d'ammoniaque. Nous avons démontré que l'infusion d'OA chez des rats ayant subi une dévascularisation hépatique entraînait un délai significatif avant l'apparition du coma, et une diminution significative de l'ammoniaque du plasma et du LCR comparativement aux contrôles. Cette diminution d'ammoniaque était accompagnée d'une réduction du contenu cérébral en eau. Le glutamate et la glutamine plasmatiques furent aussi significativement augmentés et puisque le cycle de l'urée est non-fonctionnel dans un foie dévascularisé, la réduction d'ammoniaque ne pouvait donc être induite que par la stimulation de la glutamine synthétase des muscles squelettiques. Le glutamate présent dans le LCR diminue parallèlement à la réduction du contenu cérébral en eau. Un autre des traitements qui fut récemment développé pour contrôler l'encéphalopathie des HF est l'hypothermie modérée. En réduisant la température corporelle de rats ayant subi une dévascularisation hépatique à 34°C, nous avons démontré un effet protecteur de cette procédure sur l'apparition du coma et de l'oedème cérébral. Les niveaux des acides aminés furent aussi mesurés en utilisant la méthode de microdialyse cérébrale in vivo et nous avons démontré une diminution du glutamate extracellulaire chez les rats protégés par l’hypothermie. Les mécanismes possiblement impliqués dans l'action bénéfique de l'hypothermie modérée incluent la diminution du transfert de l'ammoniaque sanguin vers le cerveau et la diminution des concentrations extracellulaires cérébrales d'acides aminés excitateurs tels que le glutamate. Ces résultats ajoutent davantage de crédibilité à la notion que la disponibilité élevée du glutamate dans l'espace extracellulaire et donc, une neurotransmission glutamatergique élevée, est impliquée dans la pathogénèse de certaines des complications cérébrales rencontrées au cours de l'HF. Ces résultats appuient aussi l'hypothèse que l'hypothermie modérée peut s'avérer une méthode efficace de prévention de l'encéphalopathie et de l'oedème cérébral, deux complications cérébrales très sévères de l'HF.

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