Diabetic nephropathy is the main cause for initiation of renal replacement therapy and early symptoms in patients include increased glomerular filtration rate (GFR), decreased oxygen tension and albuminuria, followed by a progressive decline in GFR and loss of kidney function. Experimental models of diabetes display increased GFR, decreased tissue oxygenation and nitric oxide bioavailability. These findings are likely to be intertwined in a mechanistic pathway to kidney damage and this thesis investigated their roles in the development of diabetic nephropathy. In vivo, diabetes-induced oxidative stress stimulates renal tubular Na+ transport and in vitro, proximal tubular cells from diabetic rats display increased transport-dependent oxygen consumption, demonstrating mechanisms contributing to decreased kidney oxygenation. In control animals, endogenous adenosine reduces vascular resistance of the efferent arteriole via adenosine A2-receptors resulting in reduced filtration fraction. However, in diabetes, adenosine A2-signalling is dysfunctional resulting in increased GFR via increased filtration fraction. This is caused by reduced adenosine A2a receptor-mediated vasodilation of efferent arterioles. The lack of adenosine-signaling in diabetes is likely due to reduced local adenosine concentration since adenosine A2a receptor activation reduced GFR only in diabetic animals by efferent arteriolar vasodilation. Furthermore, sub-optimal insulin treatment also alleviates increased filtration pressure in diabetes. However, this does not affect GFR due to a simultaneously induction of renal-blood flow dependent regulation of GFR by increasing the filtration coefficient. In diabetes, there is decreased bioavailability of nitric oxide, resulting in alterations that may contribute to diabetes-induced hyperfiltration and decreased oxygenation. Interestingly, increased plasma concentration of l-arginine, the substrate for nitric oxide production, prevents the development of increased GFR and proteinuria, but not increased oxygen consumption leading to sustained intra-renal hypoxia in diabetes. This thesis concludes that antioxidant treatment directed towards the NADPH oxidase as well maneuvers to promote nitric oxide production is beneficial in diabetic kidneys but is targeting different pathways i.e. transport-dependent oxygen consumption in the proximal tubule by NADPH oxidase inhibition and intra-renal hemodynamics after increased plasma l-arginine. Also, the involvement and importance of efferent arteriolar resistance in the development of diabetes-induced hyperfiltration via reduced adenosine A2a signaling is highlighted.

Dans cette étude, nous avons développé un composé dérivé du NADPH, nommé Nanoshutter (NS). NS a été conçu pour inhiber l'activité catalytique de la NOS, c'est à dire la synthèse de NO, en occupant la place du NADPH dans le domaine réductase du NOS. La voie de synthèse de NO chez les mammifère correspond à l'oxydation de la L-arginine catalysée par la NOS, qui se produit dans son domaine oxygénase. Basée sur des données de modélisation moléculaire, la structure de NS est composée deux sous-unités: (i) le motif nucléotidique de reconnaissance du NADPH a été retenu, permettant au composé NS un ciblage approprié du site de liaison au NADPH de la NOS, (ii) le motif nicotinamide de NADPH a été remplacé par un groupe stilbène lié à un groupement terminal accepteur d'électrons. De plus, ce fragment est caractérisé par une très bonne section efficace d'absorption à deux photons (130 GM à 840 nm). NS1, le composé prototype de la famille NS, contient un groupe terminal NO2 en tant que groupe accepteur d'électrons. La valeur de Kd (~ 4,2 µM) a été estimée dans des expériences de titrage sous excitation un- ou deux-photons, et suggère une bonne affinité de liaison de NS1 à la NOS. De façon inattendue, NS1 présente une bonne sélectivité, en terme de rendement quantique de fluorescence, pour les isoformes de NOS par rapport à d'autres protéines qui contiennent ou non un site de liaison NADPH. En outre, il a été montré que NS1 inhibait de façon compétitive NOS par rapport au NADPH. Dans les expériences d'imagerie de fluorescence réalisées sur des cellules endothéliales (HUVEC), NS1 a démontré une internalisation rapide et efficace, avec un signal de fluorescence mis en évidence principalement dans la région périnucléaire, accompagné d'un signal plus sporadique à la membrane plasmique. Cette observation est en parfait accord avec la colocalisation de NS1 et eNOS mesurée par immunomarquage, démontrant ainsi que NS1 cible eNOS dans les cellules endothéliales. La vasoconstriction NO-dépendante attendue dans les anneaux aortiques isolés de souris a été montrée, mais uniquement en présence de catalase qui convertit H2O2 en H2O et O2. En revanche, en l'absence de catalase, la vasorelaxation a plutôt été observée. Ce résultat indique que la NOS n'est très certainement pas l'unique cible de NS1 dans le système endothélial, et que d'autres cibles en rapport avec la modulation de ROS (Reactive Oxygen Species) sont impliquées. En accord avec ce résultat, NS1 provoque une réponse biphasique de la production de ROS dans les cellules HUVEC : Une phase d'augmentation est observée aux faibles concentrations de NS1 (en dessous de 2 µM), suivie d'une diminution (inhibition de ROS) pour des concentrations de NS1 plus élevées. En outre, NS1 inhibe la production de O2- dans les macrophages de souris et les productions de H2O2 et de O2- survenant dans des conditions de découplage de nNOS in vitro. Des explications possibles pour interpréter ces données sont: NS1 probablement inhibe la production de ROS, soit produites au niveau de la NADPH oxydase ou (et) au cours du découplage de la NOS. L'origine de la phase d'augmentation reste plus difficile à interpréter, mais pourrait correspondre au ciblage de la glucose-6-phosphate deshydrogénase. Enfin, NS1 exerce un effet anti -angiogénique sur les cellules endothéliales et empêche la prolifération de cellules du mélanome. En conclusion, NS1 rempli l'objectif principal de cibler et inhiber la NOS en ciblant plus particulièrement le domaine réductase - il est aussi caractérisé par des propriétés d'absorption et de fluorescence à deux photons intéressantes permettant des applications in vitro et in vivo. L'ensemble de ces caractéristiques présentent un profil intéressant pour de futures applications d'imagerie en temps réel et non-invasive, avec également un fort potentiel pour des applications cliniques liées aux maladies NO-dépendantes.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Ce travail montre qu'une protéine non encore décrite dans les phagocytes, la PAT1 " Protein interacting with APP Tail 1 ", interagit avec la partie cytosolique de la p22phox (composant du cytochrome b558 membranaire de la NADPH oxydase). Nous avons utilisé différentes approches pour montrer cette interaction : le système double hybride, la technique de GST-pull down, la microscopie confocale et la technique de co-immunoprécipitation. De plus, nous avons montré que la PAT1a recombinante augmente l'activité de la NADPH oxydase, in vitro dans un système acellulaire reconstitué, et dans les cellules intactes (monocytes et cellules COS-phox). Cette nouvelle interaction régule donc l'activation de la NADPH oxydase et la production des FRO. Par ailleurs, la liaison de PAT1 aux microtubules pourrait favoriser l'assemblage du complexe NADPH oxydase pendant son activation. Ceci pourrait conduire à l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques qui préviennent la survenue des lésions tissulaires dans les maladies inflammatoires.

La Polyarthrite Rhumatoïde, caractérisée par une synovite à l'origine de lésions progressives ostéo-articulaires, est le plus fréquent des rhumatismes inflammatoires. Les formes réactives de l'oxygène (ROS) produites par la NADPH oxydase des polynucléaires neutrophiles (PMN) infiltrant le pannus rhumatoïde, sont responsables de lésions tissulaires. La NADPH oxydase des phagocytes, est formée d'un centre catalytique membranaire, le cytochrome b558, sur lequel vient s'associer des protéines cytosoliques régulatrices (p67phox, p47phox, p40phox et Rac1/2). L'étude du complexe NADPH oxydase isolé et constitutivement actif, à partir de PMN activés, a révélé la présence de deux enzymes impliquées dans la régulation du métabolisme du glucose. Il s'agit de la PFK2 (6-phosphofructokinase 2) et de la 6PGDH (6-phosphogluconate déshydrogénase) [Paclet et al. 2007]. De plus, l'étude des protéines cytosoliques retenues sur une matrice d'affinité ciblant p47phox, a établi que les protéines S100A8 et S100A9, constituant 40% des protéines cytosoliques du PMN, participent à l'activation de l'oxydase [Berthier et al. 2003]. L'hétérocomplexe S100A8/A9, augmente l'activité de la NADPH oxydase phagocytaire et induit un changement conformationnel du cytochrome b558. Au regard de l'importance de la stimulation du PMN dans la physiopathologie de la PR, notre objectif, à terme, est d'analyser les mécanismes de l'activation de la NADPH oxydase dans cette pathologie. D'une part, nous avons étudié la spécificité de l'interaction entre la 6PGDH ou la PFK2 et la NADPH oxydase des PMN. D'autre part, nous avons caractérisé les domaines de l'hétérocomplexe S100A8/A9 impliqués dans l'activation de la NADPH oxydase phagocytaire. Par ailleurs, une étude de la signature protéique dans le liquide synovial a été menée afin de rechercher l'empreinte de l'activation du PMN dans la PR et de caractériser des biomarqueurs spécifiques de cette pathologie. Après stimulation par le PMA, la 6PGDH et la PFK2 co-imunoprécipitent avec les facteurs cytosoliques p67phox, p47phox and p40phox. Les expériences de microscopie confocale suggèrent une co-localisation de ces deux enzymes du métabolisme du glucose avec la NADPH oxydase, dans des micro-domaines membranaires : les radeaux lipidiques. La 6PGDH est impliquée dans l'activation de la NADPH oxydase phagocytaire en élevant la concentration du NADPH cytosolique mais également en augmentant l'affinité de cette enzyme pour son substrat, le NADPH. PFK2 est l'enzyme majeure de la régulation de la glycolyse. Dans les neutrophiles, cette voie est essentielle pour la production d'ATP disponible, d'une part, pour la phosphorylation des facteurs cytosoliques de la NADPH oxydase et d'autre part, pour la NDP Kinase. Cette dernière enzyme pourrait, secondairement, activer Rac en formant du GTP à partir d'ATP. Les protéines S100A8/A9 sont directement impliquées dans les mécanismes de régulation de la NADPH oxydase. L'utilisation du complexe S100A8/A9 et de protéines chimères de fusion nous a permis de révéler que la partie C-terminale de S100A8 est impliquée dans la liaison avec le cytochrome b558 et l'activation de la NADPH oxydase phagocytaire. In vivo, le profil protéique du liquide articulaire de PR a mis en évidence l'empreinte de l'activation du PMN dans cette pathologie. Les protéines S100A8, S100A9 permettraient de différencier le liquide synovial rhumatoïde de celui de patients arthrosiques ou souffrant d'arthrites non rhumatoïdes. De manière intéressante, une production ectopique de S100A8/A9 par les synoviocytes de type fibroblastique a été mise en évidence, suggérant une implication potentielle de ces protéines dans la physiopathologie de la PR. En conclusion, la 6PGDH, la PFK2 et l'hétérodimère S100A8/A9 sont de nouveaux partenaires d'activation de la NADPH oxydase des phagocytes. Dans la Polyathrite Rhumatoïde, l'activation des PMNs conduit à la sécrétion de S100A8/A9 qui semblent constituer à la fois des biomarqueurs pertinents, mais également des cibles thérapeutiques potentielles.

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La Polyarthrite Rhumatoïde est caractérisée par une synovite à l'origine de lésions progressives ostéo-articulaires induites par les formes réactives de l'oxygène (ROS) produites par la NADPH oxydase des polynucléaires neutrophiles (PMN). La NADPH oxydase des phagocytes, est formée d'un centre catalytique membranaire, le cytochrome b558, sur lequel vient s'associer des protéines cytosoliques régulatrices (p67phox, p47phox, p40phox et Rac1/2). Nous avons étudié la spécificité de l'interaction entre la (6-phosphofructokinase 2) et de la 6PGDH (6-phosphogluconate déshydrogénase) et la NADPH oxydase des PMN. D'autre part, nous avons caractérisé les domaines de l'hétérocomplexe S100A8/A9 impliqués dans l'activation de la NADPH oxydase phagocytaire. Par ailleurs, une étude de la signature protéique dans le liquide synovial a été menée afin de rechercher l'empreinte de l'activation du PMN dans la PR.Après stimulation par le PMA, la 6PGDH et la PFK2 co-imunoprécipitent avec les facteurs cytosoliques p67phox, p47phox and p40phox. Les expériences de microscopie confocale suggèrent une co-localisation de ces deux enzymes du métabolisme du glucose avec la NADPH oxydase, dans des micro-domaines membranaires : les radeaux lipidiques. La 6PGDH est impliquée dans l'activation de la NADPH oxydase phagocytaire en élevant la concentration du NADPH cytosolique mais également en augmentant l'affinité de cette enzyme pour son substrat, le NADPH. PFK2 est l'enzyme majeure de la régulation de la glycolyse, voie est essentielle pour la production d'ATP du PMN. L'utilisation du complexe S100A8/A9 et de protéines chimères de fusion nous a permis de révéler que la partie C-terminale de S100A8 est impliquée dans la liaison avec le cytochrome b558 et l'activation de la NADPH oxydase phagocytaire. In vivo, le profil protéique du liquide articulaire de PR a révélé l'empreinte de l'activation du PMN dans cette pathologie avec une surexpression des protéines S100A8 et S100A9. Une production ectopique de S100A8/A9 par les synoviocytes de type fibroblastique a été mise en évidence.En conclusion, la 6PGDH, la PFK2 et l'hétérodimère S100A8/A9 sont de nouveaux partenaires d'activation de la NADPH oxydase des phagocytes. Dans la PR, l'activation des PMNs conduit à la sécrétion de S100A8/A9 qui semblent constituer à la fois des biomarqueurs pertinents, mais également des cibles thérapeutiques potentielles.

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Chronic granulomatous disease (CGD) is associated with defective function of the NADPH-oxidase system in conjunction with phagocytic defects which leads to granuloma formation and serious infectious complications. This is often associated with significant morbidity and mortality. The association of defective phagocyte function with other coincidental immune defects is unknown. Defects in innate pathways seen with CGD, including complement systems, and toll-like and dectin receptor pathways, have not been described before. We present the case of a 2-year old male patient hospitalized with recurrent pneumonia, a non-healing skin ulcer, necrotizing lung granulomas, and epididymo-orchitis. Defective neutrophil chemiluminescence was detected by dihydrorhodamine (DHR) testing. Further evaluation demonstrated characteristic molecular mutations of CYBB consistent with CGD. Immune evaluation demonstrated polyclonal hyperglobulinemia, but a greatly reduced mannose binding lectin (MBL) level. Six biallelic polymorphisms in MBL gene and its promoter were analyzed using Light Cycler™ Real-time PCR assay. The LXPA/LYPB haplotype of MBL was detected in our patient; the latter is the defective haplotype associated with low MBL levels. Due to the implications for innate immunity and the protection against bacterial, viral, and fungal infections provided by MBL, a deficiency of this protein may have disastrous consequences on the long term outcomes of CGD. MBL deficiency can also complicate other disorders affecting the immune system, significantly increasing the risk of infection in such patients. Further studies looking at the frequency and implications of MBL deficiency in CGD are needed.

Rice (Oryza sativa L.) is an important crop cultivated worldwide, and abiotic stresses limit its productivity. Different approaches were carried out to understand the mechanisms of rice defense responses against abiotic stresses, mainly drought. The NADPH-generating enzymes engaged in response to dehydration and salt stresses during the seedling stage of Nipponbare cultivar were analyzed. Enzyme activities of 6-phosphogluconate dehydrogenase (6PGDH), NADP-dependent aldehyde dehydrogenase, NADP-malic enzyme (NADP-ME) in leaves, and 6PGDH in roots were significantly increased in response to dehydration stress. NADP-ME and NADP-glutamate dehydrogenase activities in roots increased significantly in response to salt stress. These results suggest the involvement of NADPH-generating enzymes in plant responses to dehydration and salinity stresses, and the increased demands of NADPH in plants under abiotic stress can be furnished by enhanced activities of NADPH-producing enzymes. Also, a dehydration-induced protein was detected and identified as serine-hydroxymethyltransferase. This result indicates that serine-hydroxymethyltransferase can play a key role in regulating dehydration response in rice. Moreover, comparative proteomic analyses of CL163 (drought-tolerant), Cheniere (drought-sensitive), and Rex (moderately-drought-sensitive) rice varieties were performed. Drought-responsive proteome changes were profiled in leaves and roots at the seedling stage in response to drought stress imposed by polyethylene glycol (PEG-6000). Eighteen significantly differentially expressed proteins were identified by mass spectrometry. Elongate factor1 alpha and 17.9-kDa classI heat shock protein appear to have different expression patterns between CL163 and Cheniere, which may be attributable to the difference in drought response of the two rice varieties. Furthermore, a compendium of 103 drought resistance genes in rice was compiled to construct and analyze networks formed by associations between genes/proteins and to identify the most significant genes, biological processes/pathways. Genes were classified based on gene ontology and protein class into 26 groups. Forty-two genes were classified as transcription factors. Proteins encoded by the genes were localized in 8 subcellular locations and classified into three classes. Two pathways from KEGG whose genes were overrepresented in the compendium were identified. Gene expression, network presenting pairwise interactions between genes/proteins, and co-expression network were constructed. This study provides a systematic view of the crucial genes that can be contributing collectively to drought tolerance.