Posttranscriptional Regulation of Embryonic Neurogenesis by the Exon Junction Complex

The six-layered neuron structure in the cerebral cortex is the foundation for human mental abilities. In the developing cerebral cortex, neural stem cells undergo proliferation and differentiate into intermediate progenitors and neurons, a process known as embryonic neurogenesis. Disrupted embryonic neurogenesis is the root cause of a wide range of neurodevelopmental disorders, including microcephaly and intellectual disabilities. Multiple layers of regulatory networks have been identified and extensively studied over the past decades to understand this complex but extremely crucial process of brain development. In recent years, post-transcriptional RNA regulation through RNA binding proteins has emerged as a critical regulatory nexus in embryonic neurogenesis. The exon junction complex (EJC) is a highly conserved RNA binding complex composed of four core proteins, Magoh, Rbm8a, Eif4a3, and Casc3. The EJC plays a major role in regulating RNA splicing, nuclear export, subcellular localization, translation, and nonsense mediated RNA decay. Human genetic studies have associated individual EJC components with various developmental disorders. We showed previously that haploinsufficiency of Magoh causes microcephaly and disrupted neural stem cell differentiation in mouse. However, it is unclear if other EJC core components are also required for embryonic neurogenesis. More importantly, the molecular mechanism through which the EJC regulates embryonic neurogenesis remains largely unknown. Here, we demonstrated with genetically modified mouse models that both Rbm8a and Eif4a3 are required for proper embryonic neurogenesis and the formation of a normal brain. Using transcriptome and proteomic analysis, we showed that the EJC posttranscriptionally regulates genes involved in the p53 pathway, splicing and translation regulation, as well as ribosomal biogenesis. This is the first in vivo evidence suggesting that the etiology of EJC associated neurodevelopmental diseases can be ribosomopathies. We also showed that, different from other EJC core components, depletion of Casc3 only led to mild neurogenesis defects in the mouse model. However, our data suggested that Casc3 is required for embryo viability, development progression, and is potentially a regulator of cardiac development. Together, data presented in this thesis suggests that the EJC is crucial for embryonic neurogenesis and that the EJC and its peripheral factors may regulate development in a tissue-specific manner.

X-linked inhibitor of apoptosis protein mediates tumor cell resistance to antibody-dependent cellular cytotoxicity.

Inflammatory breast cancer (IBC) is the deadliest, distinct subtype of breast cancer. High expression of epidermal growth factor receptors [EGFR or human epidermal growth factor receptor 2 (HER2)] in IBC tumors has prompted trials of anti-EGFR/HER2 monoclonal antibodies to inhibit oncogenic signaling; however, de novo and acquired therapeutic resistance is common. Another critical function of these antibodies is to mediate antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC), which enables immune effector cells to engage tumors and deliver granzymes, activating executioner caspases. We hypothesized that high expression of anti-apoptotic molecules in tumors would render them resistant to ADCC. Herein, we demonstrate that the most potent caspase inhibitor, X-linked inhibitor of apoptosis protein (XIAP), overexpressed in IBC, drives resistance to ADCC mediated by cetuximab (anti-EGFR) and trastuzumab (anti-HER2). Overexpression of XIAP in parental IBC cell lines enhances resistance to ADCC; conversely, targeted downregulation of XIAP in ADCC-resistant IBC cells renders them sensitive. As hypothesized, this ADCC resistance is in part a result of the ability of XIAP to inhibit caspase activity; however, we also unexpectedly found that resistance was dependent on XIAP-mediated, caspase-independent suppression of reactive oxygen species (ROS) accumulation, which otherwise occurs during ADCC. Transcriptome analysis supported these observations by revealing modulation of genes involved in immunosuppression and oxidative stress response in XIAP-overexpressing, ADCC-resistant cells. We conclude that XIAP is a critical modulator of ADCC responsiveness, operating through both caspase-dependent and -independent mechanisms. These results suggest that strategies targeting the effects of XIAP on caspase activation and ROS suppression have the potential to enhance the activity of monoclonal antibody-based immunotherapy.

Transcriptomic Analysis of the Host Response and Innate Resilience to Enterotoxigenic Escherichia coli Infection in Humans.

BACKGROUND: Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) is a globally prevalent cause of diarrhea. Though usually self-limited, it can be severe and debilitating. Little is known about the host transcriptional response to infection. We report the first gene expression analysis of the human host response to experimental challenge with ETEC. METHODS: We challenged 30 healthy adults with an unattenuated ETEC strain, and collected serial blood samples shortly after inoculation and daily for 8 days. We performed gene expression analysis on whole peripheral blood RNA samples from subjects in whom severe symptoms developed (n = 6) and a subset of those who remained asymptomatic (n = 6) despite shedding. RESULTS: Compared with baseline, symptomatic subjects demonstrated significantly different expression of 406 genes highlighting increased immune response and decreased protein synthesis. Compared with asymptomatic subjects, symptomatic subjects differentially expressed 254 genes primarily associated with immune response. This comparison also revealed 29 genes differentially expressed between groups at baseline, suggesting innate resilience to infection. Drug repositioning analysis identified several drug classes with potential utility in augmenting immune response or mitigating symptoms. CONCLUSIONS: There are statistically significant and biologically plausible differences in host gene expression induced by ETEC infection. Differential baseline expression of some genes may indicate resilience to infection.

Opening Basement Membrane Gaps During C. elegans Uterine-Vulval Attachment

The basement membrane (BM) is a highly conserved form of extracellular matrix that underlies or surrounds and supports most animal tissues. BMs are crossed by cells during various remodeling events in development, immune surveillance, or during cancer metastasis. Because BMs are dense and not easily penetrable, most of these cells must open a gap in order to facilitate their migration. The mechanisms by which cells execute these changes are poorly understood. A developmental event that requires the opening of a BM gap is C. elegans uterine-vulval connection. The anchor cell (AC), a specialized uterine cell, creates a de novo BM gap. Subsequent widening of the BM gap involves the underlying vulval precursor cells (VPCs) and the π cells, uterine neighbors of the AC through non-proteolytic BM sliding. Using forward and reverse genetic screening, transcriptome profiling, and live-cell imaging, I investigated how the cells in these tissues accomplish BM gap formation. In Chapter 2, I identify two potentially novel regulators of BM breaching, isolated through a large-scale forward genetic screen and characterize the invasion defect in these mutants. In Chapter 3, I describe single-cell transcriptome sequencing of the invasive AC. In Chapter 4, I describe the role of the π cells in opening the nascent BM gap. A complete developmental pathway for this process has been elucidated: the AC induces the π fate through Notch signaling, after which the π cells upregulate the Sec14 family protein CTG-1, which in turn restricts the trafficking of DGN-1 (dystroglycan), a laminin receptor, allowing the BM to slide. Chapter 5 outlines the implications of these discoveries.

Comparative genome analysis of human bifidobacteria with commercial potential

This thesis describes two newly sequenced B. longum subsp. longum genomes and subsequent comparative analysis with publicly available B. longum subsp. longum, B. longum subsp. infantis and B. longum subsp. suis genomes (Chapter 2). The acquired data revealed a closed pan-genome for this bifidobacterial species and furthermore facilitated the definition of the B. longum core genome. The comparative analysis also highlights differences in the potential metabolic abilities of all three sub-species. Interestingly, phylogenetic analysis of the B. longum core genome indicated the existence of a novel B. longum subspecies. Characterisation of restriction-modification systems from two B. longum subsp. longum strains is described in Chapter 3. These defence mechanisms limit the uptake of genetic material, which was successfully demonstrated for some of the identified systems. When these systems were by-passed by methylation of DNA prior to the transformation procedure, the resulting transformation efficiency of both B. longum subsp. longum strains was increased to a level that allowed for the generation of mutants via homologous recombination. Arabinoxylan metabolism by B. longum subsp. longum NCIMB 8809 was investigated in Chapter 4 of this thesis. Transcriptome analysis allowed the identification of a number of genes involved in the degradation, uptake and utilisation of arabinoxylan. Biochemical analysis revealed that three of the identified genes encode arabinofuranosidase activity. Phenotypic assessment of a number of insertion mutants in genes identified by the transcriptome analysis revealed the essential role of two of these enzymes in arabinoxylan metabolism, and a third enzyme in the metabolism of debranched arabinan. Furthermore, this investigation revealed that B. longum subsp. longum NCIMB 8809 does not completely degrade arabinoxylan, but utilises the arabinose substitutions only, while leaving the xylan backbone untouched.Finally, Chapter 5 outlines that B. longum subsp. longum NCIMB 8809 is capable of removing ferulic and p-coumaric acid substitutions that originate from arabinoxylan. Analysis of the genome sequence led to the identification of a candidate gene for this activity, which was subsequently cloned and expressed in E. coli. Biochemical analysis revealed that the enzyme, designated here as FaeA, is indeed capable of releasing both ferulic and p-coumaric acid from arabinoxylan. Furthermore, it is shown that a derivative of B. longum subsp. longum NCIMB 8809 carrying an insertion mutation in faeA had lost the ability to release ferulic and p-coumaric acid from arabinoxylan, and that growth of this mutant strain is negatively affected when cultivated on growth-limiting levels of arabinoxylan.

Assessing the immune phenotype of cardiac syndrome x: a prospective study of biomarkers

Cardiac Syndrome X (CSX), the presence of angina pectoris with objective signs of myocardial ischaemia despite angiographically normal epicardial coronary arteries, appears to be due to coronary microvascular dysfunction and is known to be associated with an elevation of several inflammatory biomarkers, suggesting a possible role for inflammation in its pathogenesis. We aimed to further characterise this relationship by prospectively analysing a wide variety of molecular biomarkers in a cohort of CSX patients thereby charting the changes in biomarkers throughout the natural history of CSX from its initial diagnosis to eventual disease quiescence. We found that CSX patients, when compared to healthy controls, have a persistent low-grade systemic inflammatory response characterised by an elevation of Tumour Necrosis Factor and Interferon-gamma, regardless of the presence of contemporaneous signs or symptoms of disease activity. Interleukin-6 and C-reactive Protein (CRP) are only elevated when patients have clinical evidence of disease activity and may be state markers in CSX. Moreover, CRP levels appear to correlate with signals of disease severity such as the time taken to develop symptoms during exercise stress testing. We have also demonstrated that the enzyme Indoleamine-2,3- dioxygenase is upregulated in active disease thus providing a possible explanation for the increased burden of psychological disease encountered in CSX. Analysis of the microRNA transcriptome showed that miR-143 is significantly under-expressed in CSX patients. This could allow phenotype switching in vascular smooth muscle cells with the resultant vascular remodelling causing reduced vessel responsiveness to local rheological stimuli and reduced luminal diameter with consequent increased microvascular resistance during times of increased myocardial oxygen demand, thereby limiting maximal hyperaemia during exercise. Our findings corroborate many previous hypotheses regarding the role of inflammation in CSX, generate new insights into possible pathogenic mechanisms and offer new therapeutic targets for the future management of this important cardiological condition.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Impacts of seawater acidification on mantle gene expression patterns of the Baltic Sea blue mussel: implications for shell formation and energy metabolism, link to supplementary material

Marine organisms have to cope with increasing CO2 partial pressures and decreasing pH in the oceans. We elucidated the impacts of an 8-week acclimation period to four seawater pCO2 treatments (39, 113, 243 and 405 Pa/385, 1,120, 2,400 and 4,000 µatm) on mantle gene expression patterns in the blue mussel Mytilus edulis from the Baltic Sea. Based on the M. edulis mantle tissue transcriptome, the expression of several genes involved in metabolism, calcification and stress responses was assessed in the outer (marginal and pallial zone) and the inner mantle tissues (central zone) using quantitative real-time PCR. The expression of genes involved in energy and protein metabolism (F-ATPase, hexokinase and elongation factor alpha) was strongly affected by acclimation to moderately elevated CO2 partial pressures. Expression of a chitinase, potentially important for the calcification process, was strongly depressed (maximum ninefold), correlating with a linear decrease in shell growth observed in the experimental animals. Interestingly, shell matrix protein candidate genes were less affected by CO2 in both tissues. A compensatory process toward enhanced shell protection is indicated by a massive increase in the expression of tyrosinase, a gene involved in periostracum formation (maximum 220-fold). Using correlation matrices and a force-directed layout network graph, we were able to uncover possible underlying regulatory networks and the connections between different pathways, thereby providing a molecular basis of observed changes in animal physiology in response to ocean acidification.

Genomic consequences of mating system evolution in the Pacific coastal dune endemic, Abronia umbellata (Nyctaginaceae)

The advent of next-generation sequencing has significantly reduced the cost of obtaining large-scale genetic resources, opening the door for genomic studies of non-model but ecologically interesting species. The shift in mating system, from outcrossing to selfing, has occurred thousands of times in angiosperms and is accompanied by profound changes in the population genetics and ecology of a species. A large body of work has been devoted to understanding why the shift occurs and the impact of the shift on the genetics of the resulting selfing populations, however, the causes and consequences of the transition to selfing involve a complicated interaction of genetic and demographic factors which are difficult to untangle. Abronia umbellata is a Pacific coastal dune endemic which displays a striking shift in mating system across its geographic range, with large-flowered outcrossing populations south of San Francisco and small-flowered selfing populations to the north. Abronia umbellata is an attractive model system for the study of mating system transitions because the shift appears to be recent and therefore less obscured by post-shift processes, it has a near one-dimensional geographic range which simplifies analysis and interpretation, and demographic data has been collected for many of the populations. In this study, we generated transcriptome-level data for 12 plants including individuals from both subspecies, along with a resequencing study of 48 individuals from populations across the range. The genetic analysis revealed a recent transition to selfing involving a drastic reduction in genetic diversity in the selfing lineage, potentially indicative of a recent population bottleneck and a transition to selfing due to reproductive assurance. Interestingly, the genetic structure of the populations was not coincident with the current subspecies demarcation, and two large-flowered populations were classified with the selfing subspecies, suggesting a potential need for re-evaluation of the current subspecies classification. Our finding of low diversity in selfing populations may also have implications for the conservation value of the threatened selfing subspecies.

Purine catabolic pathway revealed by transcriptomics in the model marine bacteriumRuegeria pomeroyiDSS-3

Purines are nitrogen-rich compounds that are widely distributed in the marine environment and are an important component of the dissolved organic nitrogen (DON) pool. Even though purines have been shown to be degraded by bacterioplankton, the identities of marine bacteria capable of purine degradation and their underlying catabolic mechanisms are currently unknown. This study shows that Ruegeria pomeroyi, a model marine bacterium and Marine Roseobacter Clade (MRC) representative, utilizes xanthine as a source of carbon and nitrogen. The R. pomeroyi genome contains putative genes that encode xanthine dehydrogenase (XDH), which is expressed during growth with xanthine. RNAseq-based analysis of the R. pomeroyi transcriptome revealed that the transcription of an XDH-initiated catabolic pathway is up-regulated during growth with xanthine, with transcription greatest when xanthine was the only available carbon source. The RNAseq-deduced pathway indicates that glyoxylate and ammonia are the key intermediates from xanthine degradation. Utilising a laboratory model, this study has identified the potential genes and catabolic pathway active during xanthine degradation. The ability of R. pomeroyi to utilize xanthine provides novel insights into the capabilities of the MRC that may contribute to their success in marine ecosystems and the potential biogeochemical importance of the group in processing DON.

Purine catabolic pathway revealed by transcriptomics in the model marine bacteriumRuegeria pomeroyiDSS-3

Purines are nitrogen-rich compounds that are widely distributed in the marine environment and are an important component of the dissolved organic nitrogen (DON) pool. Even though purines have been shown to be degraded by bacterioplankton, the identities of marine bacteria capable of purine degradation and their underlying catabolic mechanisms are currently unknown. This study shows that Ruegeria pomeroyi, a model marine bacterium and Marine Roseobacter Clade (MRC) representative, utilizes xanthine as a source of carbon and nitrogen. The R. pomeroyi genome contains putative genes that encode xanthine dehydrogenase (XDH), which is expressed during growth with xanthine. RNAseq-based analysis of the R. pomeroyi transcriptome revealed that the transcription of an XDH-initiated catabolic pathway is up-regulated during growth with xanthine, with transcription greatest when xanthine was the only available carbon source. The RNAseq-deduced pathway indicates that glyoxylate and ammonia are the key intermediates from xanthine degradation. Utilising a laboratory model, this study has identified the potential genes and catabolic pathway active during xanthine degradation. The ability of R. pomeroyi to utilize xanthine provides novel insights into the capabilities of the MRC that may contribute to their success in marine ecosystems and the potential biogeochemical importance of the group in processing DON.

DNA in Amphibian and Reptile Venom Permits Access to Genomes Without Specimen Sacrifice

Amphibian defensive skin secretions and reptile venoms are rich sources of bioactive peptides with potential pharmacological/pharmaceutical applications. As amphibian and reptile populations are in rapid global decline, our research
group has been developing analytical methods that permit generation of robust molecular data from non-invasive skin secretion samples and venom samples. While previously we have demonstrated that parallel proteome and venom gland
transcriptome analyses can be performed on such samples, here we report the presence of DNA that facilitates the more widely-used applications of gene sequencing, such as molecular phylogenetics, in a non-invasive manner that circumvents specimen sacrifice. From this “surrogate” tissue, we acquired partial 12S and 16S rRNA gene sequences that are presented for illustration purposes. Thus from a single sample of amphibian skin secretion and reptile venom, robust and complementary proteome, transcriptome and genome data can be generated for applications in diverse scientific disciplines.

A prospective view of animal and human Fasciolosis

Fasciolosis, a food-borne trematodiasis, results following infection with the parasites, Fasciola hepatica and Fasciola gigantica. These trematodes greatly affect the global agricultural community, infecting millions of ruminants worldwide and causing annual economic losses in excess of US $3 billion. Fasciolosis, an important zoonosis, is classified by WHO as a neglected tropical disease with an estimated 17 million people infected and a further 180 million people at risk of infection. The significant impact on agriculture and human health together with the increasing demand for animal-derived food products to support global population growth demonstrate that fasciolosis is a major One Health problem. This review details the problematic issues surrounding fasciolosis control, including drug resistance, lack of diagnosis and the threat that hybridization of the Fasciola species poses to future animal and human health. We discuss how these parasites may mediate their long-term survival through regulation and modulation of the host immune system, by altering the host immune homeostasis and/or by influencing the intestinal microbiome particularly in respect to concurrent infections with other pathogens. Large genome, transcriptome and proteomic data sets are now available to support an integrated One Health approach to develop novel diagnostic and control strategies for both animal and human disease.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

The regulatory role of eNOS-derived nitric oxide on transcription in endothelial cells: Impact of S-nitrosylation on β-catenin signaling

Les cellules endothéliales forment une couche semi-perméable entre le sang et les organes. La prolifération, la migration et la polarisation des cellules endothéliales sont essentielles à la formation de nouveaux vaisseaux à partir de vaisseaux préexistants, soit l’angiogenèse. Le facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF) peut activer la synthase endothéliale du monoxyde d’azote (eNOS) et induire la production de monoxyde d’azote (NO) nécessaire pour la régulation de la perméabilité vasculaire et l’angiogenèse. β- caténine est une composante essentielle du complexe des jonctions d’ancrage ainsi qu’un régulateur majeur de la voie de signalisation de Wnt/β-caténine dans laquelle elle se joint au facteur de transcription TCF/LEF et module l’expression de nombreux gènes, dont certains sont impliqués dans l’angiogenèse. La S-nitrosylation (SNO) est un mécanisme de régulation posttraductionnel des protéines par l’ajout d’un groupement nitroso au niveau de résidus cystéines. Le NO produit par eNOS peut induire la S-nitrosylation de la β−caténine au niveau des jonctions intercellulaires et moduler la perméabilité de l’endothélium. Il a d’ailleurs été montré que le NO peut contrôler l’expression génique par la transcription. Le but de cette thèse est d’établir le rôle du NO au sein de la transcription des cellules endothéliales, spécifiquement au niveau de l’activité de β-caténine. Le premier objectif était de déterminer si la SNO de la β-caténine affecte son activité transcriptionnelle. Nous avons montré que le NO inhibe l’activité transcriptionnelle de β- caténine ainsi que la prolifération des cellules endothéliales induites par l’activation de la voie Wnt/β-caténine. Il est intéressant de constater que le VEGF, qui induit la production de NO via eNOS, réprime l’expression de AXIN2 qui est un gène cible de Wnt s’exprimant suite à la i i stimulation par Wnt3a et ce, dépendamment de eNOS. Nous avons identifié que la cystéine 466 de la β-caténine est un résidu essentiel à la modulation répressive de son activité transcriptionnelle par le NO. Lorsqu’il est nitrosylé, ce résidu est responsable de la perturbation du complexe de transcription formé de β-caténine et TCF-4 ce qui inhibe la prolifération des cellules endothéliales induite par la stimulation par Wnt3a. Puisque le NO affecte la transcription, nous avons réalisé l’analyse du transcriptome afin d’obtenir une vue d’ensemble du rôle du NO dans l’activité transcriptionnelle des cellules endothéliales. L’analyse différentielle de l’expression des gènes de cellules endothéliales montre que la répression de eNOS par siRNA augmente l’expression de gènes impliqués au niveau de la polarisation tels que : PARD3A, PARD3B, PKCZ, CRB1 et TJ3. Cette analyse suggère que le NO peut réguler la polarisation des cellules et a permis d’identifier des gènes responsables de l’intégrité des cellules endothéliales et de la réponse immunitaire. De plus, l’analyse de voies de signalisation par KEGG montre que certains gènes modulés par l’ablation de eNOS sont enrichis dans de nombreuses voies de signalisation, notamment Ras et Notch qui sont importantes lors de la migration cellulaire et la différenciation des cellules de têtes et de tronc (tip/stalk). Le regroupement des gènes exprimés chez les cellules traitées au VEGF (déplétées de eNOS ou non) révèle que le NO peut affecter l’expression de gènes contribuant au processus angiogénique, dont l’attraction chimiotactique. Notre étude montre que le NO module la transcription des cellules endothéliales et régule l’expression des gènes impliqués dans l’angiogenèse et la fonction endothéliale.