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

La connexine 43 (Cx43) est l’unité protéique de base dans la formation des canaux des jonctions gap (JG) responsables des échanges intercellulaires. Toutefois, elle forme aussi des canaux non-jonctionnels à large conductance, nommés hémicanaux (Hc), qui fournissent un accès entre l’intérieure des cellules et le milieu extracellulaire. Bien qu’ils soient beaucoup moins étudiés que les JG, on estime que les Hc restent normalement à l’état fermé, et ce, grâce à la phosphorylation des connexines qui les forment. Suite à un stress ischémique, les Cx43 se déphosphorylent et entraînent ainsi l’ouverture des Hc de Cx43 (HcCx43), un effet qui compromet la survie des cellules. La protéine kinase C (PKC) est l’enzyme de phosphorylation qui possède le plus grand nombre de sites de phosphorylation sur la Cx43 en comparaison avec les autres kinases. Ses fonctions dépendent de la mise en jeu d’un répertoire d’au moins 12 isoformes distinctes. Dans les cardiomyocytes, les isoformes de PKC participent au développement des réponses adaptées ou mésadaptées au stress ischémique. Malgré que la régulation des canaux de Cx43 par la PKC lors d’une ischémie soit bien documentée, il n’existe pas à l’heure actuelle de connaissances sur les effets fonctionnels spécifiques qu’exercent des différentes isoformes de PKC sur les HcCx43, ni sur la valeur thérapeutique de la modulation de ses derniers. Dans ce contexte, nous avons proposé que les HcCx43 sont régulés sélectivement et différentiellement par les différentes isoformes de PKC et que l’inhibition spécifique de ces hémicanaux peut protéger le coeur lors d’un événement ischémique. Le présent travail comporte trois études qui ont été entreprises spécialement dans le but de valider ces hypothèses. Dans la première étude, nous avons profité de l’expertise du laboratoire du Dr Baroudi dans la dissection des isoformes de PKC pour étudier le rôle fonctionnel de chacune d’elles dans la régulation des HcCx43 en utilisant une gamme unique de peptides synthétiques inhibiteurs et activateurs spécifiques des isoformes de PKC, en combinaison avec la technique du patch-clamp. Nous avons démontré, entre autre, que les HcCx43 sont particulièrement inhibés par l’isoforme PKC epsilon, connue pour son effet cardioprotecteur contre les dommages ischémiques lors d’un préconditionnement ischémique. Dans la deuxième étude, nous avons caractérisé l’effet d’un peptide synthétique mimétique structural de la Cx43 sur la fonction des HcCx43. En plus d’avoir élucidé ces effets sur les propriétés fonctionnelles du canal, nous avons démontré d’une manière directe et indéniable que le peptide Gap26 inhibe et spécifiquement les HcCx43 et que son administration in vitro (cardiomyocytes isolés) et ex vivo (coeur intact) confère à ces modèles expérimentaux une résistance importante contre le stress ischémique. Dans la troisième étude, nous avons investigué pour la première fois in vivo le potentiel de deux peptides uniques mimétiques structuraux de la Cx43, Gap26 et Gap27, dans la cardioprotection contre les lésions ischémiques lorsqu’ils sont administrés à basse dose sous forme d’un bolus intraveineux unique. Nous avons démontré que l’injection de ces peptides avant ou après la survenue de l’ischémie réduit significativement la taille de l’infarctus qui en résulte.En conclusion, l’ensemble de ces résultats révèlent le rôle bénéfique de l’inhibition des HcCx43 lors d’une ischémie et dévoilent un potentiel thérapeutique prometteux des mimétiques structuraux de Cx43 dans la prévention et le traitement de l’infarctus du myocarde. / Connexin 43 (Cx43) is the basic unit in the composition of Gap junction channels but also of the non-junctional unapposed hemichannels (Hc). Gap junction channels play key roles in cardiac function by allowing conduction of electrical impulses and exchange of biologically important molecules between cells. The unapposed Hc, however, perform functions different from those achieved by Gap junction channels mainly by providing pathways between the cytosol and the extracellular space allowing movement of ions and other small metabolites. Although they are much less studied than Gap junction channels, Hc are believed to remain normally in a closed state and that phosphorylation is an important factor promoting their closure. Under ischemic stress,the amount of non-phosphorylated Cx43 increases resulting in increasing hemichannels opening, an effect that can lead to irreversible tissue injury and cell death. Protein kinase C (PKC) possesses the largest number of phosphorylation sites on Cx43 and exerts significant control on Cx43 channels. Its function depends on the involvement of at least 12 distinct isoformes. Various PKC isoforms exert specific cellular and cardiovascular functions, nonetheless the functional role of PKC isoforms in the modulation of the unapposed Cx43 hemichannels has never been assessed, neither has the therapeutic potential of Cx43Hc modulation in the protection of ischemic heart. In this context, three studies have been performed, they form the body of this thesis. In the first study, a unique set of synthetic PKC isoform-selective activator and inhibitor peptides was utilised. In combination with the patch clamp technique, we have demonstrated that Cx43Hc conductance is strongly inhibited by, among many isoforms, epsilon PKC isoforme, known for its cardioprotective effect against ischemic injury. In the second study, we characterized the effect of a synthetic structural mimetic peptide of Cx43. Using patch clamp technique, we have demonstrated that the peptide Gap26 inhibits directly and specifically Cx43Hc, we also showed that Gap26 can confer resistance to cardiomyocytes (in vitro) and intact heart (ex vivo) against ischemia. In the third study, we investigated for the first time in vivo the capability of a unique pair of structural Cx43 mimetic peptides, Gap26 and Gap27, to protect heart from ischemic injury when administered in single low-dose intravenous boluses. We demonstrated that administration of either one or both peptides, before or after the onset of ischemia renders heart more resistant to ischemia and reduces significantly the size of myocardial infarct. Altogether, our results revealed salvatory effect of Cx43Hc inhibition during ischemia and uncovered therapeutique potentials of the synthetic structural mimetic peptides of Cx43 in ischemic heart disease.

[Truncated abstract] Reactive oxygen species (ROS) have been implicated to play a major role in many pathological conditions including heart attack and stroke. Their ability to modulate the extracellular signal-regulated protein kinase (ERK) and c-Jun Nterminal kinase (JNK) signalling pathways, thereby influencing cellular response has been well-documented. Recent studies implicate a central role for mitochondria in ERK and JNK activation by ROS although the mechanisms remained unresolved. Using Jurkat T-lymphocyte as a cell model, this study demonstrated increased mitochondrial ROS production as a result of decreased mitochondrial complex activities mediated by hydrogen peroxide treatment. This is the first study to show that mitochondria are not essential for activating ERKs, however damaged mitochondria producing ROS can be expected to cause sustained ERK activation . . . This study revealed that JNK and its upstream kinases MKK4, MKK7 and ASK1 are associated with the mitochondria. Furthermore, findings from this study imply that JNK resides in the mitochondrial matrix. This study is the first to demonstrate that mitochondrial JNK can be activated in a cell-free environment by signals originating from the mitochondria. Experimental work using isolated mitochondria demonstrated that mitochondrial JNK can be activated by ROS generated from the mitochondria themselves. Flavin-containing proteins appear to be the main sources of mitochondrial-ROS which signal through redoxsensitive proteins to activate mitochondrial JNK.

Dissertation (Ph.D.)--University of South Florida, 2007. / Title from PDF of title page. Document formatted into pages; contains 192 pages. Includes vita. Includes bibliographical references.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karolinska institutet, 2007. / Härtill 4 uppsatser.

Dissertation (Ph.D.)--University of South Florida, 2006. / Includes vita. Includes bibliographical references (leaves 166-187). Also available online.

Thesis (Ph. D.)--University of Virginia, 2008. / Title from title page. Includes bibliographical references. Also available online through Digital Dissertations.

Thesis (Ph. D.)--West Virginia University, 2007. / Title from document title page. Document formatted into pages; contains vi, 130 p. : ill. (some col.). Includes abstract. Includes bibliographical references.

Πολλές παθήσεις του καρδιαγγειακού συστήματος σχετίζονται με την λειτουργία του ενζύμου της διαλυτής γουανυλικής κυκλάσης (soluble guanylate cyclase, sGC). Η sGC εμπλέκεται στο μονοπάτι ΝΟ-sGC-cGMP το οποίο ενεργοποιείται από το βιολογικά διαθέσιμο μονοξείδιο του αζώτου (nitric oxide, ΝΟ). Πολλές παθολογικές καταστάσεις αντιμετωπίστηκαν για πάνω από 140 χρόνια με τη χρήση φαρμάκων που παρέχουν NO (ΝΟ-φάρμακα), χωρίς ωστόσο να είναι γνωστός ο μηχανισμός δράσης τους. Αν και τα φάρμακα αυτά συνεισέφεραν στη βελτίωση των παθολογικών καταστάσεων, ωστόσο παρουσίαζαν σημαντικά μειονεκτήματα. Για την αντιμετώπιση αυτών, το ενδιαφέρον στράφηκε στον σχεδιασμό και την σύνθεση ενώσεων των οποίων η δράση θα ήταν ανεξάρτητη από το ΝΟ. Μεταξύ αυτών, τα παράγωγα BAY 58-2667 και η HMR 1766 αποδείχθηκαν ενεργοποιητές της sGC. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης, σχεδιάσθηκαν και συντέθηκαν έξι νέα βενζοφουρανικά ανάλογα του HMR-1766, σε μία προσπάθεια ανακάλυψης νέων ενώσεων, ενεργοποιητών της sGC με ενισχυμένη δραστικότητα και εκλεκτικότητα δράσης. Η προσέγγιση που ακολουθήθηκε για την σύνθεση των τελικών προϊόντων περιελάμβανε την ανοικοδόμηση του βενζοφουρανικού δακτυλίου από υποκατεστημένα παράγωγα σαλικυλικού οξέος και την μετέπειτα σύζευξη αυτού με κατάλληλους δομικούς λίθους για τον σχηματισμό μίας σουλφοναμιδικής και μίας αμιδικής πλευρικής αλυσίδας. Στα πλαίσια της μελέτης, διερευνήθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν όλα τα συνθετικά στάδια για την παραλαβή των ενδιάμεσων και των τελικών προϊόντων. Η μελλοντική αποτίμηση της βιολογικής δράσης των νέων ενώσεων αναμένεται να διευκρινίσει αν οι ενώσεις αυτές είναι ικανές να δράσουν ως ενεργοποιητές της sGC, αλλά και αν μπορούν να αποτελέσουν χρήσιμα χημικά εργαλεία για την διευκρίνιση δομικών πληροφοριών του ενζύμου. Το δεύτερο τμήμα της παρούσας εργασίας, αφορά στον σχεδιασμό και την σύνθεση νέων αναλόγων του φυσικού προιόντος Hymenialdesine (HMD). Η HMD είναι ένα φυσικό προϊόν το οποίο έχει αποδειχθεί αναστολέας πολλών πρωτεϊνικών κινασών, όπως των κυκλινο-εξαρτώμενων κινασών (CDKs), η υπερλειτουργία των CDKs ενέχεται στην εμφάνιση παθολογικών καταστάσεων (καρκίνος, νευροεκφυλιστικές παθήσεις, διαβήτης). Στόχος της μελέτης ήταν ο σχεδιασμός και η διερεύνηση της σύνθεσης νέων σπειρανικών ινδολοαζεπινικών αναλόγων της HMD, με ενισχυμένη ανασταλτική και εκλεκτική δράση έναντι των CDKs. Για το σκοπό αυτό, μελετήθηκε η μετατροπή της 5-κετονομάδας της αζεπινο[3,4-b]ινδολο-1,5-διόνης σε ένα αμινο-υποκατεστημένο στερεογονικό κέντρο μέσω νουκλεόφιλης προσβολής της πρόδρομης χειρόμορφης t-βουτυλοσουλφινυλ-ιμίνης. Διερευνήθηκαν ποικίλες πειραματικές συνθήκες για τη βελτιστοποίηση σχηματισμού τόσο της ενδιάμεσης σουλφινυλ-ιμίνης, όσο και της υποκατάστασης αυτής. Τα συνθετικά αυτά στάδια θεωρούνται κρίσιμα και η βελτιστοποίηση τους απαραίτητη για την ομαλή εξέλιξη του συνθετικού σχήματος. Τα αποτελέσματα που καταγράφηκαν στα πλαίσια της μελέτης αναμένεται να συμβάλλουν ουσιαστικά στην επιτυχή ολοκλήρωση της σύνθεσης των νέων σπειρανικών αναλόγων της HMD. / Many cardiovascular diseases are connected with the activity of soluble guanylate cyclase (sGC). sGC is part of the NO-sGC-cGMP pathway, which is activated by the biologically available nitric oxide (NO). Many drugs that release NO (NO-drugs) have been used for more than 140 years. Although these drugs have contributed to the treatment of these diseases, they have presented some disadvantages. Thus, new compounds have been discovered whose activity is independent of NO. Compounds BAY 58-2667 and HMR-1766 belong to this new class of compounds and are characterized as sGC activators. In the first part of this study, six new benzofuran derivatives of HMR-1766 were designed and synthesized, aiming at the discovery of new compounds, activators of sGC with enhanced activity and selectivity against sGC. The synthetic approach involves the initial formation of benzofuran ring from substituted derivatives of salicylic acid and its coupling with selected building blocks. The optimazation of all synthetic steps for the synthesis of the intermediate and final products was also part of this study. The biological evaluation of the new compounds is expected to reveal their biological activity as sGC activators and/or their role as chemical tools for the structural elucidation of the enzyme. The second part of this study, concerns the design and synthesis of new derivatives of Hymenialdesine (HMD). HMD is a natural product with inhibitory activity against many protein kinases, such as cyclin-dependent kinases (CDKs). Hypeactivation of CDKs is implicated in pathological disorders such as cancer, neurodegenerative diseases and diabetes. The aim of the study was the synthesis of new spiro-indolazepino derivatives of HMD with potential enhanced inhibitory activity and selectivity against CDKs. The transformation of the 5-ketogroup of the azepino[3,4-b]indol-1,5-dione to a new amino-substituted stereogenic center by nucleophilic attack of the intermediate chiral tert-sulfinylimine was the key-step of the synthetic approach. The results of this study are expected to contribute substantially to the synthesis of new spiro HMD derivatives.

La protéine kinase activée par AMP (AMPK) est un senseur ubiquitaire du statut énergétique de la cellule eucaryote. Elle est exprimée sous la forme d'un complexe hétérotrimèrique comprenant les sous unités catalytique (α) et régulatrices (β et γ). Ce large complexe protéique (130kDa), fonctionne comme un hub central de la signalisation cellulaire, régulateur du métabolisme énergétique et au-delà. La (dé)régulation de l'AMPK est impliquée dans de nombreuses pathologies et l'AMPK apparait comme une cible de choix pour développer de nouveaux médicaments contre le diabète de type 2. Une fois activée, l'AMPK va restaurer l'homéostasie énergétique en diminuant le métabolisme demandeur d'énergie (anabolisme) et en stimulant le métabolisme produisant le l'énergie (catabolisme). In vivo, l'AMPK est activée par des mécanismes multiples et complexes permettant la fine régulation de son activité lors de différentes situations de stress métaboliques. Premièrement, l'activité de l'AMPK est modulée de manière systémique par phosphorylation et déphosphorylation de la sous unité α (par des kinases et phosphatases en amont respectivement). De plus, l'attachement d'AMP et d'ADP à la sous unité γ augmente la phosphorylation de l'AMPK. Deuxièmement, l'AMPK est activée de manière allostérique par l'AMP qui se lie à sous unité γ lors de chutes du ratio ATP/AMP. Tous ces mécanismes requièrent une communication entre les sous unités α et γ, mais un modèle consensus complet de l'activation de l'AMPK est toujours manquant. Se basant sur différentes études structurales, d'autres et nous-mêmes avons proposé un changement de conformation induit par AMP au sein de l'hétérotrimère AMPK. Afin de mieux élucider ce mécanisme, nous avons tiré profit de ces changements conformationels pour imaginer et créer un hétérotrimère d'AMPK permettant de suivre directement et en temps réel l'état de conformation de l'AMPK par FRET. Une limite importante lors du développement de complexes multiprotéiques est l'augmentation exponentielle de la quantité de travail liée à la modification et la combinaison de nombreux gènes hétérologues lors du remaniement de ces complexes protéiques et de leurs productions. Nous avons utilisé la technologie ACEMBL, qui exploite des techniques de recombinaisons homologues, pour faciliter la révision rapide et itérative de la production et de l'analyse fonctionnelle, après ingénierie, de complexes multi protéiques. Le senseur fluorescent génétiquement codé ainsi crée, et nommé AMPfret, a la propriété de rapporter les changements de conformation induits par les nucléotides ayant lieu au sein de l'AMPK. De plus, les changements de signal FRET corrèlent avec l'activation allostérique de l'AMPK. Le senseur répond à de faible concentrations en AMP (micromolaire) et a démontré la capacité exclusive qu'a l'ATP, et non l'ATP-Mg, à concurrencer l'AMP. De plus, son utilisation a permis une meilleure compréhension du rôle des sites CBS lors de l'activation allostérique. AMPfret peut aussi être considérer comme un outil de choix pour le criblage de molécules ciblant l'AMPK, et pour le monitoring de l'état énergétique intracellulaire. / AMP-activated protein kinase (AMPK) is a ubiquitous sensor of cellular energy and nutrient status in eukaryotic cells. It is expressed as heterotrimeric complexes comprising catalytic (α) and regulatory (β and γ) subunits. This large protein complex (130kDa), conserved from yeast to plants and mammals, functions as a central signaling hub and master regulator of energy metabolism and beyond. (Dys)regulation of AMPK signaling has been implicated in various pathologies. In particular, AMPK emerged as a suitable target to develop novel drugs for type II diabetes. Once activated AMPK will attempt to restore the energy homeostasis by down-regulating energy demanding pathways (anabolism) and up-regulating the energy producing ones (catabolism). AMPK is activated in vivo by multiple, complex mechanisms allowing fine tuning of AMPK activity in different situations of metabolic stress. First, AMPK activity is systemically modulated via activating phosphorylation at the α-subunit (by upstream kinases) and inactivating dephosphorylation (by upstream phosphatases). In addition, AMP and ADP binding to the γ-subunit increase AMPK phosphorylation. Second, AMPK is allosterically activated by AMP binding to the γ-subunit when the ATP/AMP ratio is falling. All these mechanisms require close communication between the γ- and α subunits, but a complete consensus model for AMPK activation is still lacking. We and others have proposed an AMP-induced conformational switch within the full-length heterotrimeric AMPK complex based on different, complementary structural studies. To further elucidate this mechanism, we have profited from these structural rearrangements to imagine and engineer an AMPK complex that allows a direct, real-time readout of the AMPK conformational state by fluorescence resonance energy transfer (FRET). A definite bottleneck in engineering multiprotein complexes is the exponential increase in work-load if several heterologous genes need to be altered, engineered and combined for revised protein complex production experiments. We used the ACEMBL technology which harnesses site-specific and homologous recombination techniques in tandem to facilitate rapid, iterative revision of multi-protein complex expressions after engineering and functional analysis of multiprotein complex. The resulting genetically encoded fluorescent biosensor, named AMPfret, can report conformational changes within the AMPK heterotrimer induced by nucleotide binding and the monitored FRET correlates with AMPK allosteric activation. The sensor responds to low micromolar concentrations of AMP, shows the exclusive ability of ATP, but not Mg-ATP, to compete with AMP, and allows insight into the role of CBS domains for allosteric AMPK activation. It may also be a tool of choice for AMPK targeted drug screening, and reporting the intracellular energy state.