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Cinco membros da família das Acil-CoA sintetases de cadeia longa (ACSL) são responsáveis por ativar ácidos graxos, produzindo acil-CoA, e distribuí-los entre diversas vias metabólicas no interior da célula, tais como a síntese de triacilglicerol (TAG) e ?- oxidação mitocondrial. Apesar das disfunções nas ACSLs contribuirem para muitas doenças metabólicasa função de algumas isoformas de ACSL em tecidos específicos permanece ainda sem descrição na literatura. Aqui mostramos pela primeira vez a presença de mRNA da ACSL6 no músculo esquelético de seres humanos. Além disso, indivíduos obesos apresentaram menores níveis de mRNA de ACSL6 quando comparados à indivíduos magros. Após refeição hiperlipídica aguda (high fat meal, HFM, 90% de gordura) a expressão ACSL6 aumentou 2,5 vezes em relação aos níveis de jejum. Nós também verificamos as condições metabólicas que controlam a expressão ACSL6 em ratos: o jejum de 48h modulou negativamente a expressão gênica de ACSL6 e de outros genes de síntese de lipídeos tais como SREBP-1c e DGAT1, enquanto que a ingestão aguda de HFM (80% de gordura saturada , 10 mL/kg) teve o efeito oposto; Após o treinamento aeróbio (6 semanas, 5 dias /semana, uma vez por dia, 60 min a 70% da capacidade aeróbica máxima) o mRNA da ACSL6 foi reduzido em 35%. Em células primárias de músculo esquelético de ratos, a transfecção com siRNA de ACSL6 diminuiu a expressão de ACSL6, DGAT1 e SREBP-1c e o acúmulo de TAGs e gotas lipídicas. O silenciamento gênico da ACSL6 também aumentou o conteúdo dos ácidos graxos C16:0 e C18:0, AMPK-fosforilada, capacidade respiratória mitocondrial, a oxidação de palmitato e mRNA de PGC-1?, UCP2 e UCP3, mas diminuiu a produção de espécies 11 reativas de oxigênio. Em células primárias de músculo esquelético de seres humanos, a superexpressão da ACSL6 não alterou o conteúdo de TAG e da proteína DGAT1, mas aumentou as espécies lipídicas esfingomielina e fosfatidilcolinas, e reduziu a oxidação de 1-14C-palmitato e a expressão do PGC1?. Em conclusão, ACSL6 está envolvida na síntese e distribuição de acil-CoA para a síntese de lipídeos. A inibição gênica da ACSL6 melhora a capacidade de respiração mitocondrial e oxidação lipídica, através da ativação da via AMPK/PGC1?. / Five members of long-chain acyl-CoA synthetase (ACSL) family activate fatty acids providing acyl-CoA for several metabolic pathways within the cell, such as synthesis of triacylglycerol (TAG) and mitochondrial ?-oxidation, and their dysfunctions contribute to many metabolic diseases. Despite this, the existence and function of some ACSL isoforms in specific tissues remains unclear. Here we show for the first time the presence of ACSL6 mRNA and protein in skeletal muscle (SM) of humans. Obese subjects had lower levels of ACSL6 mRNA when compared to leans, and acute high fat meal (HFM, 90% fat) increased ACSL6 expression 2.5 times over fasted levels in both. We also verify the metabolic conditions that control ACSL6 expression in rats: fasting (48h) negatively modulated the ACSL6 mRNA and the expression of other genes of lipid synthesis SREBP-1c and DGAT1 in rat SM, while acute ingestion of HFM (80% saturated fat, 10 mL/Kg) had the opposite effect; After aerobic training (6 weeks, 5 days/week, once a day, 60 min at 70% of maximal aerobic capacity) ACSL6 mRNA was reduced 35%. In primary skeletal muscle cells (PSMC) of rats, ACSL6-specific siRNA oligo transfection (20 nM) decreased ACSL6, DGAT1 and SREBP-1c mRNA and the accumulation of TAGs and lipid droplets (LD). The knockdown also increased the content of C16:0 and C18:0 fatty acids, AMPK-Phosphorylated, mitochondrial content and respiratory rates, palmitate oxidation and PGC-1?, UCP2 and UCP3 mRNA, but decreased reactive oxygen species production. In PSMC of humans, ACSL6 overexpression did not change the contents of TAG or DGAT1 mRNA, but increased sphingomyelin and phosphatidylcholines and reduced 14C-palmitate oxidation and PGC1? mRNA expression. In conclusion, ACSL6 drives acyl-CoA toward lipid synthesis and its 13 downregulation improves mitochondrial capacity of respiration, lipid oxidation and biogenesis, which involves the activation of AMPK/PGC1-? pathway.

Cinco membros da família das Acil-CoA sintetases de cadeia longa (ACSL) são responsáveis por ativar ácidos graxos, produzindo acil-CoA, e distribuí-los entre diversas vias metabólicas no interior da célula, tais como a síntese de triacilglicerol (TAG) e ?- oxidação mitocondrial. Apesar das disfunções nas ACSLs contribuirem para muitas doenças metabólicasa função de algumas isoformas de ACSL em tecidos específicos permanece ainda sem descrição na literatura. Aqui mostramos pela primeira vez a presença de mRNA da ACSL6 no músculo esquelético de seres humanos. Além disso, indivíduos obesos apresentaram menores níveis de mRNA de ACSL6 quando comparados à indivíduos magros. Após refeição hiperlipídica aguda (high fat meal, HFM, 90% de gordura) a expressão ACSL6 aumentou 2,5 vezes em relação aos níveis de jejum. Nós também verificamos as condições metabólicas que controlam a expressão ACSL6 em ratos: o jejum de 48h modulou negativamente a expressão gênica de ACSL6 e de outros genes de síntese de lipídeos tais como SREBP-1c e DGAT1, enquanto que a ingestão aguda de HFM (80% de gordura saturada , 10 mL/kg) teve o efeito oposto; Após o treinamento aeróbio (6 semanas, 5 dias /semana, uma vez por dia, 60 min a 70% da capacidade aeróbica máxima) o mRNA da ACSL6 foi reduzido em 35%. Em células primárias de músculo esquelético de ratos, a transfecção com siRNA de ACSL6 diminuiu a expressão de ACSL6, DGAT1 e SREBP-1c e o acúmulo de TAGs e gotas lipídicas. O silenciamento gênico da ACSL6 também aumentou o conteúdo dos ácidos graxos C16:0 e C18:0, AMPK-fosforilada, capacidade respiratória mitocondrial, a oxidação de palmitato e mRNA de PGC-1?, UCP2 e UCP3, mas diminuiu a produção de espécies 11 reativas de oxigênio. Em células primárias de músculo esquelético de seres humanos, a superexpressão da ACSL6 não alterou o conteúdo de TAG e da proteína DGAT1, mas aumentou as espécies lipídicas esfingomielina e fosfatidilcolinas, e reduziu a oxidação de 1-14C-palmitato e a expressão do PGC1?. Em conclusão, ACSL6 está envolvida na síntese e distribuição de acil-CoA para a síntese de lipídeos. A inibição gênica da ACSL6 melhora a capacidade de respiração mitocondrial e oxidação lipídica, através da ativação da via AMPK/PGC1?. / Five members of long-chain acyl-CoA synthetase (ACSL) family activate fatty acids providing acyl-CoA for several metabolic pathways within the cell, such as synthesis of triacylglycerol (TAG) and mitochondrial ?-oxidation, and their dysfunctions contribute to many metabolic diseases. Despite this, the existence and function of some ACSL isoforms in specific tissues remains unclear. Here we show for the first time the presence of ACSL6 mRNA and protein in skeletal muscle (SM) of humans. Obese subjects had lower levels of ACSL6 mRNA when compared to leans, and acute high fat meal (HFM, 90% fat) increased ACSL6 expression 2.5 times over fasted levels in both. We also verify the metabolic conditions that control ACSL6 expression in rats: fasting (48h) negatively modulated the ACSL6 mRNA and the expression of other genes of lipid synthesis SREBP-1c and DGAT1 in rat SM, while acute ingestion of HFM (80% saturated fat, 10 mL/Kg) had the opposite effect; After aerobic training (6 weeks, 5 days/week, once a day, 60 min at 70% of maximal aerobic capacity) ACSL6 mRNA was reduced 35%. In primary skeletal muscle cells (PSMC) of rats, ACSL6-specific siRNA oligo transfection (20 nM) decreased ACSL6, DGAT1 and SREBP-1c mRNA and the accumulation of TAGs and lipid droplets (LD). The knockdown also increased the content of C16:0 and C18:0 fatty acids, AMPK-Phosphorylated, mitochondrial content and respiratory rates, palmitate oxidation and PGC-1?, UCP2 and UCP3 mRNA, but decreased reactive oxygen species production. In PSMC of humans, ACSL6 overexpression did not change the contents of TAG or DGAT1 mRNA, but increased sphingomyelin and phosphatidylcholines and reduced 14C-palmitate oxidation and PGC1? mRNA expression. In conclusion, ACSL6 drives acyl-CoA toward lipid synthesis and its 13 downregulation improves mitochondrial capacity of respiration, lipid oxidation and biogenesis, which involves the activation of AMPK/PGC1-? pathway.

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La maladie d’Alzheimer (MA) est un problème majeur de santé publique. Elle se traduit par des atteintes de la mémoire reposant sur des dysfonctionnements synaptiques induits par les oligomères de peptide ß-amyloïde (Aß). Ceux-ci activent la phospholipase A2 cytosolique (cPLA2) qui libère l’acide arachidonique (ARA) des phospholipides (PL) membranaires neuronaux. L’acyl-CoA synthétase 4 (ACSL4) peut limiter cette libération en favorisant la réincorporation d’ARA dans les PL. Dans l’alimentation occidentale, il constitue une part croissante des apports lipidiques. Contrairement à l’acide docosahexaénoïque (DHA), l’influence de l’ARA dans la MA a été peu étudiée. C’est pourquoi nous avons étudié la mobilisation de l’ARA et son effet sur la sensibilité au peptide Aß. Nous avons montré dans un premier temps qu’un apport alimentaire en ARA affecte la mémoire à court terme et sensibilise les capacités d’apprentissage au peptide Aß. Ces altérations sont associées à des diminutions d’expression des récepteurs AMPA et de l’ACSL4, une prolifération astrocytaire et une incorporation accrue en ARA dans les espèces de PL phosphatidylsérine et phosphatidyléthanolamine (PE). D’autre part, la différenciation des cellules HT22 nous a permis de montrer que l’ACSL4 intervient dans l’incorporation de l’ARA et dans l’équilibre ARA/DHA, notamment dans les espèces PE. Cela indique qu’un excès en ARA dans l’alimentation peut constituer un facteur d’aggravation de la MA et que les enzymes assurant sa mobilisation, comme la cPLA2 et l’ACSL4, peuvent moduler ce risque. La caractérisation de leurs niveaux d’expression pourrait permettre de définir des groupes d’individus à risque vis-à-vis de la MA / Alzheimer’s disease (AD) is a major public health problem. This disease is characterized by memory impairments which are caused by synaptic dysfunctions induced by the oligomers of amyloid-ß peptide (Aß). These activate the cytosolic phospholipase A2 (cPLA2) which releases arachidonic acid (ARA) from neuronal membrane phospholipids (PL) whereas acyl-CoA synthetase 4 (ACSL4) potentially counteracts this release by favoring ARA reincorporation into PL. Western diets contain growing amount of ARA. Contrary to docosahexaenoic acid (DHA), a few studies were devoted to the influence of ARA in AD. This is why we decided to study the mobilization of ARA and its effects on the sensitivity to Aß oligomers. First we showed that dietary ARA reduces short-term memory abilities and increases the deleterious effects of Aß on learning abilities. These alterations of cognitive abilities are associated to reductions of expression levels of AMPA receptors and ACSL4, an astrocyte proliferation, and greater incorporation of ARA in PL species phosphatidylethanolamine (PE) and phosphatidylserine. Secondly, we used differentiated HT22 to show that ACSL4 modulate ARA incorporation and ARA / DHA balance in the PE species. These results indicate that excessive dietary intake of ARA may be a worsening factor in AD and the enzymes regulating ARA mobilization, such as cPLA2 and ACSL4, can modulate this risk. The characterization of their enzymatic activities could allow the identification of groups of individuals at AD risk.

Bioluminescence is the chemical production of light that results when a luciferase enzyme catalyzes the luminogenic oxidation of a small-molecule luciferin substrate. The numerous luciferases and luciferins nature has evolved can be used to illuminate biological processes, from in vitro assays to imaging processes in live animals. However, we can improve the utility of bioluminescence through modification of these enzymes and substrates. My thesis work focuses on developing reporters that expand the bioluminescent toolkit and improving our understanding of how bioluminescence works on a molecular level. The first part of my thesis focuses on characterizing luciferases and luciferins that improve bioluminescence imaging in vivo. Some of our luciferins can outperform the natural D-luciferin substrate in live mouse imaging, while others are selectively utilized by mutant luciferases in live mouse brain. We also engineered luciferins that can selectively report on endogenous enzymatic activity in live mice. The second part of my thesis focuses on determining the molecular details of how enzymes related to firefly luciferase, long-chain fatty acyl-CoA synthetases (ACSLs), can function as latent luciferases. I have determined the structure for one of these enzymes and improved its bioluminescent activity with synthetic luciferins enough to image in live mouse brain. I also characterized the selectivity in chimerized enzymes that combine firefly luciferase and ACSLs. In summary, my work improves the utility of bioluminescence for in vivo use and informs us about how evolutionarily-related enzymes function as luciferases on a molecular level.

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