Thesis (Ph. D.)--University of Virginia, 1999. / Spine title: NMR studies of a human GST. Includes bibliographical references (p. 273-286). Also available online through Digital Dissertations.

Glutathione transferases (GSTs, EC.2.5.1.18) are multifunctional enzymes that are universally distributed in all cellular life forms. They play important roles in metabolism and detoxication of endogenously produced toxic compounds and xenobiotics. GSTs have gained considerable interest over the years for biomedical and biotechnological applications due to their involvement in the conjugation of glutathione (GSH) to a vast array of chemical species. Additionally, the emergence of non-detoxifying functions of GSTs has further increased their biological significance. The present work encompasses four scientific studies aimed at investigating human as well as fruit fly Drosophila melanogaster GSTs. Paper I presents the immobilization of GSTs on nanoporous alumina membranes. Kinetic analyses with 1-chloro-2,4-dinitrobenzene followed by specificity screening with alternative substrates showed a good correlation between the data obtained from immobilized enzymes and the enzymes in solution. Furthermore, immobilization showed no adverse effects on the stability of the enzymes. Paper II presents inhibition studies of human hematopoietic prostaglandin D2 synthase (HPGDS), a promising therapeutic target for anti-allergic and anti-inflammatory drugs. Our screening results with an FDA-approved drug library revealed a number of effective inhibitors of HPGDS with IC50 values in the low micromolar range. Paper III concerns the toxicity of organic isothiocyanates (ITCs) that showed high catalytic activities with GSTE7 in vitro. The in vivo results showed that phenethyl isothiocyanate (PEITC) and allyl isothiocyanate in millimolar dietary concentrations conferred toxicity to the adult fruit flies leading to death or shortened life-span. The transgenic female flies overexpressing GSTE7 showed increased tolerance against PEITC toxicity compared to the wild-type. However, the effect was opposite in male flies overexpressing GSTE7 after one week exposure. Notably, the transgene enhanced the oviposition activity of flies with and without ITCs exposure. Paper IV highlights Drosophila GSTs as efficient catalysts of the environmental pollutant and explosive 2,4,6-trinitrotoluene and the related 2,4-dinitrotoluene degradation. This result suggests the potential of GST transgenes in plants for biotransformation and phytoremediation of these persistent environmental pollutants.

Graduation date: 1998

Les moustiques sont vecteurs de nombreuses maladies humaines et animales. Leur contrôle représente donc un enjeu de santé publique au niveau mondial. Dans la plupart des pays tropicaux, le contrôle efficace des populations de moustiques dépend de l'utilisation d'insecticides chimiques ciblant les adultes ou les larves. Cependant, des phénomènes de résistance aux quatre principales classes d'insecticides chimiques couramment utilisées, menacent aujourd'hui les programmes de lutte anti-vectorielle. Dans ce contexte, il est urgent de trouver des alternatives aux insecticides conventionnellement utilisés.-moustiques. Durant cette thèse, j'ai étudié l'utilisation potentielle du néonicotinoïde imidaclopride dans le contrôle des populations de moustiques. Je me suis plus particulièrement intéressé à l'identification des mécanismes de résistance métabolique, à la mise en évidence de résistances croisées avec d'autres insecticides ainsi qu'à l'étude de l'impact des polluants environnementaux sur la tolérance à l'imidaclopride. Pour ce travail, le moustique Aedes aegypti a été utilisé comme une espèce modèle. La tolérance basale d'Ae. aegypti à l'imidaclopride a d'abord été évalué chez les larves et adultes. L'effet d'une exposition larvaire à une dose sub-létale d'imidaclopride sur une seule génération a ensuite été étudié au niveau toxicologique et moléculaire à l'aide de profils transcriptomiques. Les expositions larvaires à des doses sub-létales ont également été utilisées pour identifier les interactions potentielles entre l'imidaclopride, les insecticides chimiques et des polluants environnementaux. A long terme, la réponse adaptative du moustique Ae. aegypti à l'imidaclopride a été étudiée sur plusieurs générations en sélectionnant au laboratoire une souche sensible aux insecticides (souche Bora-Bora) avec de l'imidaclopride durant le stade larvaire pendant 14 générations. Cette sélection artificielle a permis d'obtenir la souche Imida-R. Cette souche présente une résistance accrue à l'imidaclopride chez les larves alors qu'aucune résistance significative n'a été détectée chez les adultes. Les mécanismes de résistance ont ensuite été étudiés en utilisant diverses approches, y compris l'utilisation d'inhibiteurs d'enzymes de détoxication, la mesure des activités de biotransformation et l'étude des profils transcriptomiques par puces à ADN et séquençage massif des ARNm. Plusieurs familles de protéines potentiellement impliquées dans la résistance ont été identifiées, notamment les enzymes de détoxification et les protéines cuticulaires. Parmi les gènes de détoxication, 8 cytochromes P450 et 1 glutathion S-transférase apparaissent comme des candidats pouvant jouer un rôle dans le métabolisme de l'imidaclopride. Le rôle des cytochromes P450 dans la résistance élevée de la souche Imida-R a été confirmée in vitro par des études comparatives du métabolisme de l'imidaclopride par des fractions microsomales des souches sensibles et Imida-R. Au niveau génique, la modélisation de liaison du substrat a permis de restreindre le panel des cytochromes P450 candidats. De façon concomitante, l'expression hétérologue d'un P450 a été effectuée et sa capacité à métaboliser l'imidaclopride a été confirmée. Des bioessais avec d'autres insecticides ont révélé une résistance croisée aux autres néonicotinoïdes chez la souche Imida-R au stade larvaire, ainsi qu'à un inhibiteur de croissance des insectes et dans une moindre mesure au DDT confirmant le rôle probable des enzymes de détoxication. Le relâchement de la pression de sélection sur la souche Imida-R durant quelques générations a entraîné une diminution rapide de la résistance, suggérant un coût métabolique. L'étude comparative de l'inductibilité des gènes de détoxication par l'imidaclopride dans les souches sensible et résistante a révélé une plus grande induction de ces gènes dans la souche résistante, suggérant à la fois la sélection d'une expression constitutive élevée mais également une plus grande plasticité phénotypique de ces enzymes dans la souche Imida-R. Enfin, le rôle potentiel des protéines cuticulaires dans la résistance a été étudié de manière préliminaire en exposant les larves à un inhibiteur de synthèse de la chitine, avant d'effectuer des bioessais. Dans l'ensemble, bien que ce travail de recherche nécessite d'autres expériences de validation fonctionnelle, les données obtenues fournissent une meilleure compréhension des mécanismes de résistance à l'imidaclopride chez les moustiques et permettent de discuter de son utilisation potentielle comme une alternative aux insecticides conventionnellement utilisés en lutte anti-vectorielle.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karol. inst., 2004. / Härtill 4 uppsatser.

Résumé trop long / Mosquitoes transmit several human and animal diseases and their control represents a public health challenge worldwide. In most tropical countries, efficient control of mosquitoes relies on the use of chemical insecticides targeting adults or larvae. However, resistance to the four main classes of chemical insecticides has been reported worldwide and threatens vector control programs. In this context, there is an urgent need to find alternatives to conventional insecticides used in vector control. In this thesis, I explored the potential use of the neonicotinoid insecticide imidacloprid for mosquito control, focusing on the identification of metabolic resistance mechanisms, cross-resistance with other insecticides and the impact of environmental pollutants on imidacloprid tolerance. The mosquito Aedes aegypti was used as a model species for this research work. Basal tolerance of Ae. aegypti to imidacloprid was first evaluated at the larval and adult stages. Effects of a larval exposure across a single generation to a sub-lethal dose of imidacloprid were then investigated at the toxicological and molecular levels using transcriptome profiling. Short sub-lethal exposures were also used to identify potential cross-responses between imidacloprid, other chemical insecticides and anthropogenic pollutants. Long-term adaptive response of Ae. aegypti to imidacloprid was then investigated across several generations by selecting an insecticide-susceptible strain (Bora-Bora strain) with imidacloprid at the larval stage for 14 generations in the laboratory. Such artificial selection allowed obtaining the Imida-R strain. This strain showed an increased resistance to imidacloprid in larvae while no significant resistance was measured in adults. Resistance mechanisms were then investigated using various approaches including the use of detoxification enzyme inhibitors, biochemical assays and transcriptome profiling with DNA microarray and massive mRNA sequencing. Several protein families potentially involved in resistance were identified including detoxifications enzymes and cuticle proteins. Among the formers, 8 cytochrome P450s and 1 glutathione S-transferase appears as good candidates for a role in imidacloprid metabolism. The role of P450s in the elevated resistance of the Imida-R strain was confirmed by comparative P450-dependent in vitro metabolism assays conducted on microsomal fractions of the susceptible and Imida-R strains. At the gene level, substrate binding modeling allowed restricting the panel of P450 candidates. Meantime, heterologous expression of one P450 was performed and its ability to metabolize imidacloprid confirmed. Bioassay with other insecticides revealed potential cross-resistance of the Imida-R at the larval stage to other neonicotinoids but also to an insect growth inhibitor and in a lesser extent to DDT, confirming the probable role of detoxification enzymes. Relaxing the selection pressure of the Imida-R strain for few generations led to a rapid decrease of resistance, suggesting a cost of resistance mechanisms. Comparing the inducibility of candidate detoxification genes by imidacloprid in susceptible and resistant strains revealed a higher induction of these genes in the resistant strain, suggesting the selection of both a higher constitutive expression but also a greater phenotypic plasticity of these enzymes in the Imida-R strain. Finally, the potential role of cuticle protein in resistance was preliminary investigated by exposing larvae to a chitin synthesis inhibitor before bioassays. Overall, although this research work requires additional functional validation experiments, these data provide a better understanding of imidacloprid resistance mechanisms in mosquitoes and its potential use as an alternative to conventional insecticides in vector control.

Les molybdoenzymes (MoEs) à bisPGD sont des métalloprotéines dont le site actif est constitué d'un cofacteur à molybdène (Mo) mononucléaire. Elles sont impliquées dans les cycles biogéochimiques de l'azote, du carbone et du soufre et catalysent essentiellement des réactions d'oxydoréduction à 2 e-/2 H+ envers une grande variété de substrats. En dépit de la connaissance de la structure cristallographique de nombreuses MoEs, leur fonctionnement reste encore largement incompris. Ces enzymes présentent un intérêt biotechnologique car certains de leurs substrats sont des composés toxiques notoires, tels que les oxydes de sélénium ou d'arsenic. L'objectif de ma thèse a été d'identifier quels facteurs structuraux gouvernent la réactivité d'une MoE à bisPGD, la nitrate réductase A d'E. coli. Le premier axe de mes travaux de thèse a consisté à étudier l'activité de l'enzyme envers différents substrats et examiner le rôle du ligand protéique du Mo dans sa réactivité, en combinant des approches de mutagenèse dirigée, de biochimie et de spectroscopie RPE. J'ai montré que le ligand protéique du Mo est impliqué dans une étape clé du cycle catalytique. Le second axe a consisté à identifier les relations existantes entre la structure atomique du site actif et ses signatures spectrales. Pour augmenter la résolution et permettre d'identifier les transitions structurales mises en jeu lors de l'interconversion entre les différentes formes spectrales, j'ai utilisé la spectroscopie RPE impulsionnelle, qui permet de détecter les noyaux magnétiques (1H et 14N, …). Mes résultats constituent un pré-requis nécessaire pour l'étude structurale à haute résolution du site actif de la nitrate réductase. / Molybdenum (Mo) is a rare transition metal that is indispensable to most living organisms. In particular, it makes part of the active site of metalloenzymes involved in the biogeochemical cycles of carbon, nitrogen and sulphur. In this context, prokaryotic molybdoenzymes (MoEs) with the bisPGD cofactor at their active site essentially catalyze oxidoreduction reactions with 2 e-/2 H+ towards a wide range of substrates. Given that some MoEs can activate substrates that are well-known pollutants, understanding the mechanism of these enzymes accounts for a major prerequisite for future enzymatic engineering strategies aimed at optimizing enzyme reactivity towards bioremediation processes. To identify the molecular determinants of the reactivity of MoEs, we have explored the importance of the Mo proteic ligand aspartate in the respiratory Nitrate Reductase from E. coli. We have combined biochemistry and EPR spectroscopy to analyze the impact of the Mo-ligand substitution on both the enzymatic and the structural properties of the molybdenum cofactor. Our results show that the nature of the proteic ligand plays a critical role in the reactivity of the active site. A second part of my thesis work consisted in establishing the link between spectroscopic data on the MoV centre and its atomic structure. To get a high level of resolution and to identify which kind of structural modification is responsible for the spectroscopic differences between every Mo(V) signature, pulsed EPR spectroscop is most promising. Our results constitute a pre-requisite for structural studies of every species of the MoV center of the NRA.

L’aflatoxine B1 (AFB1) et l’ochratoxine A (OTA) sont des mycotoxines pouvant contaminer une large variété de denrées alimentaires. L’ingestion d’aliments contaminés par des animaux d’élevage peut entraîner l’altération de leur santé et de leurs performances zootechniques ainsi qu’un problème de sécurité alimentaire lié à la présence de résidus de mycotoxines dans les produits animaux, notamment le lait. Des traitements de détoxication basés sur l’addition d’adsorbants organiques ont été développés pour fixer les mycotoxines dans le tube digestif et ainsi réduire l’exposition des animaux. L’objectif de ce travail de thèse était d’évaluer l’efficacité d’un adsorbant à base d’extraits de parois modifiées de levures (Mycosorb®) sur deux modèles animaux, le rat et la brebis. L’efficacité a été déterminée en réalisant un suivi des mycotoxines et/ou de leurs métabolites dans 3 matrices : l’excrétion urinaire et fécale et la cinétique sanguine. Sur les 2 modèles animaux, nous avons ainsi étudié les effets de l’apport en Mycosorb sur l’excrétion urinaire et fécale et la cinétique sanguine des 2 mycotoxines (AFB1 et OTA). Chez le rat, le suivi de la radioactivité a montré que les fèces d’animaux supplémentés en parois de levures contiennent significativement plus de mycotoxines. Cette augmentation de la radioactivité dans les fèces s’est accompagnée d’une diminution marquée de la radioactivité dans le sang et dans les urines. Chez la brebis laitière, en plus de ces paramètres, nous avons évalué l’effet de l’adsorbant sur les paramètres de production de l’animal et l’excrétion des mycotoxines dans le lait. L’addition de la paroi de levure a entraîné une augmentation significative de l’excrétion de l’AFB1 et de son métabolite, l’aflatoxine M1(AFM1) dans les fèces du ruminant. Cette augmentation de l’excrétion fécale s’accompagne de la réduction du taux d’AFM1 excrété dans l’urine mais pas dans le lait. Les effets observés chez les deux modèles expérimentaux semblent être liés à la séquestration des mycotoxines dans le tractus digestif des animaux et permettent de conclure à la capacité de l’adsorbant organique à réduire la biodisponibilité des mycotoxines testées. L’ajout de la paroi de levure pourrait, par conséquent, réduire les risques sanitaires chez les animaux d’élevage exposés à une alimentation contaminée par les mycotoxines. Cependant, nous n’avons pas observé d’effet sur la santé et les paramètres zootechniques des animaux dans les conditions expérimentales utilisées. / Aflatoxin B1 (AFB1) and Ochratoxin A (OTA) are mycotoxins that can be found in a large variety of feedstuffs. Consumption of contaminated feeds can affect the health and performances of farm animals and if transferred into animal products can be a problem for the safety of food. Different treatments of detoxication based on organic adsorbants addition have been developed to bind these mycotoxins in the digestive tract and thus to reduce exposure of animals. The objective of this work was to evaluate the efficacy of an adsorbent containing yeast cell wall extracts (Mycosorb®) in two animal models, the rat and the dairy ewe. The efficacy was determined by performing a monitoring of mycotoxins and/or theirs metabolites in 3 matrices : urinary and faecal excretion and blood kinetic. In both animal models, thus we have studied the effects of yeast cell walls on urinary and faecal excretion and blood kinetic of the 2 mycotoxins (AFB1 and OTA). Radioactivity analysis showed that faeces of animals supplemented with the adsorbent contained significantly more mycotoxins in rats. This increase of radioactivity in feces was associated with a marked decrease of radioactivity in blood and urine. In dairy ewes, in addition to these parameters, we have evaluated the effects of the adsorbent on the production parameters of animals and the excretion of mycotoxins in milk. The addition of yeast cell walls significantly increased the excretion of AFB1 and its metabolite, aflatoxin M1 (AFM1) in the faeces. This increase in fecal excretion was associated with a reduction of the excretion of AFM1 in urine but not in milk. The reduced absorption of AFB1 and OTA in both animal models could be associated with the capacity of the adsorbent to bind mycotoxins in the digestive tract. Addition of yeast cell wall extract could be a strategy to reduce sanitary risks in ruminants exposed to mycotoxins-contaminated feeds. However, we have not observed an effect on the health and the performances of animals in the experimental conditions used.

Cupriavidus metallidurans CH34 est la bactérie Gram négative considérée comme organisme-modèle pour l’étude de la résistance aux métaux lourds. Notre travail a porté sur sa résistance au cuivre, codée par les gènes cop du plasmide pMOL30. Ces gènes, responsables des différentes étapes de la résistance (compartimentation des systèmes d’efflux entre périplasme et cytoplasme, modification de valence, et d’autres fonctions totalement inconnues) ont suscité notre intérêt.<p><p>On distingue dans l’îlot cop des gènes codant pour des fonctions de résistance proprement dite (essentiellement par détoxication active du cytoplasme et du périplasme). En effet, les mutants de copSRABCD, copF, et dans une moindre mesure copJ et copE deviennent sensibles. Les phénotypes des mutants divergent toutefois suivant que la mutation soit sur un cosmide qui ne porte que l’îlot (pMOL1024) ou dans son plasmide d’origine (pMOL30). Un second groupe de mutants (copVTMK, copG, copL, copQ) se distingue par un phénotype plus résistant ou identique à la souche parente, sauf autour de la CMI. Ces gènes interviendraient donc à la CMI pour assurer la résistance la plus élevée et le maintien d'un état viable latent.<p><p>La présence de l’îlot cop permet de contenir le taux d’oxygène radicalaire qui reste à un taux basal lorsque les cellules sont adaptées au cuivre environnent. Après un choc de Cu (ou stress aigu), l’îlot cop répond de façon « explosive » au stress, en consommant l’énergie du potentiel membranaire et en augmentant fortement l’activité de la chaîne respiratoire.<p><p>La résistance au cuivre est inductible, mais de façon différenciée pour la souche sauvage (CH34) et celle qui ne porte qu l’îlot cop (AE1744) :la CMI de CH34 triple après adaptation au cuivre, alors que celle d’AE1744 est inchangée. Après un choc de Cu, la résistance au cuivre est plus fortement induite pour AE1744 que pour CH34. Ces observations suggèrent que l’îlot cop ait été sélectionné pour sa capacité à répondre à un stress aigu puis intégré dans un ensemble de gènes plus vaste qui répond à des impératifs de stress chronique.<p><p>L’analyse biochimique de CopI, une petite protéine bleue à cuivre, montre qu’elle porte un site analogue à celui des oxydases multicuivre. Son rôle pourrait dès lors être celui d’une réductase multicuivre. La protéine CopK lie de façon très spécifique le Cu(I) et il semble que la liaison du cuivre modifie sa structure. L’analyse écologique a montré que des homologues de copK pourraient être présents dans l’ADN extrait de la terre de biotopes chargés en cuivre, et dans les souches cuprorésistantes qu’on y trouve. <p><p>La contribution majeure de cette thèse est de montrer que l’effet d’un stress métallique ne se résume pas à deux états physiologiques « mort ou vif ». Il y a lieu de considérer des états transitoires (choc de Cu, adaptation au métal, survie autour de la CMI, persistance) où interviennent des gènes spécifiques dans un ou plusieurs états donnés. Les résultats biochimiques et physiologiques ne nous éclairent pas encore assez sur les interconversions Cu(I)/Cu(II) ni sur les flux de cations notamment vers l'espace extracellulaire. Cette thèse ouvre des perspectives sur des mécanismes (protection à la CMI, phénotype persistant) assurant la survie des bactéries ou leur potentiel de recolonisation lors d'une diminution de la pression toxique :les gènes copT, copV, copK, copM, copB, copG, copL et copQ semblent impliqués dans ces fonctions. <p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished