Protein-Binding Microarray Analysis of Tumor Suppressor AP2α Target Gene Specificity.

Cheap and massively parallel methods to assess the DNA-binding specificity of transcription factors are actively sought, given their prominent regulatory role in cellular processes and diseases. Here we evaluated the use of protein-binding microarrays (PBM) to probe the association of the tumor suppressor AP2α with 6000 human genomic DNA regulatory sequences. We show that the PBM provides accurate relative binding affinities when compared to quantitative surface plasmon resonance assays. A PBM-based study of human healthy and breast tumor tissue extracts allowed the identification of previously unknown AP2α target genes and it revealed genes whose direct or indirect interactions with AP2α are affected in the diseased tissues. AP2α binding and regulation was confirmed experimentally in human carcinoma cells for novel target genes involved in tumor progression and resistance to chemotherapeutics, providing a molecular interpretation of AP2α role in cancer chemoresistance. Overall, we conclude that this approach provides quantitative and accurate assays of the specificity and activity of tumor suppressor and oncogenic proteins in clinical samples, interfacing genomic and proteomic assays.

Altered expression of beta-galactosidase-1-like protein 3 (Glb1l3) in the retinal pigment epithelium (RPE)-specific 65-kDa protein knockout mouse model of Leber's congenital amaurosis

Purpose: In this study, we investigated the expression of the gene encoding beta-galactosidase (Glb)-1-like protein 3 (Glb1l3), a member of the glycosyl hydrolase 35 family, during retinal degeneration in the retinal pigment epithelium (RPE)-specific 65-kDa protein knockout (Rpe65(-/-)) mouse model of Leber congenital amaurosis (LCA). Additionally, we assessed the expression of the other members of this protein family, including beta-galactosidase-1 (Glb1), beta-galactosidase-1-like (Glb1l), and beta-galactosidase-1-like protein 2 (Glb1l2).Methods: The structural features of Glb1l3 were assessed using bioinformatic tools. mRNA expression of Glb-related genes was investigated by oligonucleotide microarray, real-time PCR, and reverse transcription (RT) -PCR. The localized expression of Glb1l3 was assessed by combined in situ hybridization and immunohistochemistry.Results: Glb1l3 was the only Glb-related member strongly downregulated in Rpe65(-/-) retinas before the onset and during progression of the disease. Glb1l3 mRNA was only expressed in the retinal layers and the RPE/choroid. The other Glb-related genes were ubiquitously expressed in different ocular tissues, including the cornea and lens. In the healthy retina, expression of Glb1l3 was strongly induced during postnatal retinal development; age-related increased expression persisted during adulthood and aging.Conclusions: These data highlight early-onset downregulation of Glb1l3 in Rpe65-related disease. They further indicate that impaired expression of Glb1l3 is mostly due to the absence of the chromophore 11-cis retinal, suggesting that Rpe65 deficiency may have many metabolic consequences in the underlying neuroretina.

Role of ATH5 in the specification of retinal ganglion cells and expression and cell compartmentalization of EFEMP1, a protein associated with Malattia Leventinese

ABSTRACT : The development of the retina is a very complex process, occurring through the progressive restriction of cell fates, from pluripotent cell populations to complex tissues and organs. In all vertebrate species analyzed so far, retinal differentiation starts with the generation of retinal ganglion cells (RGC)s. One of the documented key essential events in the specification of RGCs is the expression of ATHS, an atonal homolog encoding a bHLH transcription factor. Despite the putative role of master regulator of RGC differentiation, the mechanism of integrating its functions into a coherent program underlying the production of this subclass of retinal neurons has not yet been elucidated. By using chromatin immunoprecipitation combined with microarray (ChIP-on-chip) we have screened for ATH5 direct targets in the developing chick retina at two consecutive periods: E3.5 (stage HH22) and E6 (stage HH30), covering the stages of progenitor proliferation, neuroepithelium patterning, RGC specification, cell cycle exit and early neuronal differentiation. In parallel, complementary analysis with Affymetrix expression microarrays was conducted. We compared RGCs versus retina to see if the targets correspond to genes preferentially expressed in RGCs. We also precociously overexpressed ATH5 in the retina of individual embryo, and contralateral retina vas used as a control. Our integrated approach allowed us to establish a compendium of ATH5-targets and enabled us to position ATH5 in the transcription network underlying neurogenesis in the retina. Malattia Leventinese (ML) is an autosomal, dominant retinal dystrophy characterized by extracellular, amorphous deposits known as drusen, between the retinal pigment epithelium (RPE) and Bruch's membrane. On the genetic level, it has been associated with a single missense mutation (R345W) in a widely expressed gene with unknown function called EFEMP1. We determined expression patterns of the EFEMP1 gene in normal and ML human retinas. Our data shown that the upregulation of EFEMP1 is not specific to ML eye, except for the region of the ciliary body. We also analyzed the cell compartmentalization of different versions of the protein (both wild type and mutant). Our studies indicate that both abnormal expression of the EFEMP1 gene and mutation and accumulation of EFEMP 1 protein (inside or outside the cells) might contribute to the ML pathology. Résumé : 1er partie : L'ontogenèse de la rétine est un processus complexe au cours duquel des cellules progénitrices sont engagée, par vagues successives, dans des lignées où elles vont d'abord être déterminées puis vont se différencier pour finalement construire un tissu rétinien composé de cinq classes de neurones (les photorécepteurs, les cellules horizontales, bipolaires, amacrines et ganglionnaires) et d'une seule de cellules gliales (les cellules de Muller). Chez tous les vertébrés, la neurogenèse rétinienne est d'abord marquée par la production des cellules ganglionnaires (RGCs). La production de cette classe de neurone est liée à l'expression du gène ATH5 qui est un homologue du gène atonal chez la Drosophile et qui code pour un facteur de transcription de la famille des protéines basic Helix-Loop-Helix (bHLH). Malgré le rôle central que joue ATH5 dans la production des RGCs, le mécanisme qui intègre la fonction de cette protéine dans le programme de détermination neuronale et ceci en relation avec le développement de la rétine n'est pas encore élucidé. Grâce à une technologie qui permet de combiner la sélection de fragments de chromatine liant ATH5 et la recherche de séquences grâce à des puces d'ADN non-codants (ChIP-on-chip), nous avons recherché des cibles potentielles de la protéine ATH5 dans la rétine en développement. Nous avons conduit cette recherche à deux stades de développement de manière à englober la phase de prolifération cellulaire, la détermination des RGCs, la sortie du cycle cellulaire ainsi que les premières étapes de la différentiation de ces neurones. Des expériences complémentaires nous ont permis de définir les patrons d'expression des gènes sélectionnés ainsi que l'activité promotrice des éléments de régulation identifiés lors de notre criblage. Ces approches expérimentales diverses et complémentaires nous ont permis de répertorier des gènes cibles de la protéine ATH5 et d'établir ainsi des liens fonctionnels entre des voies métaboliques dont nous ne soupçonnions pas jusqu'alors qu'elles puissent être associées à la production d'une classe de neurones centraux. 2ème partie : Malattia Leventinese (ML) est une maladie génétique qui engendre une dystrophie de la rétine. Elle se caractérise par l'accumulation de dépôt amorphe entre l'épithélium pigmentaire et la membrane de Bruch et connu sous le nom de drusen. Cette maladie est liée à une simple mutation non-sens (R345W) dans un gène dénommé EFEMP1 qui est exprimé dans de nombreux tissus mais dont la fonction reste mal définie. Une étude détaillée de l'expression de ce gène dans des rétines humaines a révélé une expression à un niveau élevé du gène EFEMP1 dans divers tissus de l'oeil ML mais également dans des yeux contrôles. Alors que l'accumulation d'ARN messager EFEMP1 dans les cellules de l'épithélium pigmentaire n'est pas spécifique à ML, l'expression de ce gène dans le corps cilié n'a été observée que dans l'oeil ML. Nous avons également comparé la sécrétion de la protéine sauvage avec celle porteuse de la mutation. En résumé, notre étude révèle que le niveau élevé d'expression du gène EFEMP1 ainsi que l'accumulation de la protéine dans certains compartiments cellulaires pourraient contribuer au développement de pathologies rétiniennes liées à ML.

Protein-binding microarrays: probing disease markers at the interface of proteomics and genomics.

DNA-binding proteins mediate a variety of crucial molecular functions, such as transcriptional regulation and chromosome maintenance, replication and repair, which in turn control cell division and differentiation. The roles of these proteins in disease are currently being investigated using microarray-based approaches. However, these assays can be difficult to adapt to routine diagnosis of complex diseases such as cancer. Here, we review promising alternative approaches involving protein-binding microarrays (PBMs) that probe the interaction of proteins from crude cell or tissue extracts with large collections of synthetic or natural DNA sequences. Recent studies have demonstrated the use of these novel PBM approaches to provide rapid and unbiased characterization of DNA-binding proteins as molecular markers of disease, for example cancer progression or infectious diseases.

Implication des protéines des gouttelettes lipidiques dans la résistance a l'insuline hépatique. [Involvement of protein lipid droplets in the resistance to hepatic insulin.]

Introduction : La prévalence des maladies stéatosiques non alcooliques du foie augmente de manière exponentielle dans les pays industrialisés. Le développement de ces maladies se traduit par une stéatose hépatique fréquemment associée à une résistance à l'insuline. Cette résistance a pu être expliquée par l'accumulation intra-hépatocytaire de lipides intermédiaires tels que Céramides et Diacylglycérols. Cependant, notre modèle animal de stéatose hépatique, les souris invalidées pour la protéine hépatique « Microsomal Triglyceride Transfert Protein » (Mttp Δ / Δ), ne développent pas de résistance à l'insuline, malgré une augmentation de ces lipides intermédiaires. Ceci suggère la présence d'un autre mécanisme induisant la résistance à l'insuline. Matériels et méthodes : L'analyse Microarray du foie des souris Mttp Δ / Δ a montré une forte up-régulation des gènes « Cell-death Inducing DFFA-like Effector C (cidec) », « Lipid Storage Droplet Protein 5 (lsdp5) » et « Bernardinelli-Seip Congenital Lipodystrophy 2 Homolog (seipin) » dans le foie des souris Mttp Δ / Δ. Ces gènes ont été récemment identifiés comme codant pour des protéines structurelles des gouttelettes lipidiques. Nous avons testé si ces gènes jouaient un rôle important dans le développement de la stéatose hépatique, ainsi que de la résistance à l'insuline. Résultats : Nous avons démontré que ces gènes sont fortement augmentés dans d'autres modèles de souris stéatosées tels que ceux présentant une sur-expression de ChREBP. Dans les hépatocytes murins (AML12 :Alfa Mouse Liver 12), l'invalidation de cidec et/ou seipin semble diminuer la phosphorylation d'AKT après stimulation à l'insuline, suggérant une résistance à l'insuline. Chez l'homme, l'expression de ces gènes est augmentée dans le foie de patients obèses avec stéatose hépatique. De manière intéressante, cette augmentation est atténuée chez les patients avec résistance à l'insuline. Conclusion : Ces données suggèrent que ces protéines des gouttelettes lipidiques augmentent au cours du développement de la stéatose hépatique et que cette augmentation protège contre la résistance à l'insuline.

Proof of concept for microarray-based detection of DNA-binding oncogenes in cell extracts.

The function of DNA-binding proteins is controlled not just by their abundance, but mainly at the level of their activity in terms of their interactions with DNA and protein targets. Moreover, the affinity of such transcription factors to their target sequences is often controlled by co-factors and/or modifications that are not easily assessed from biological samples. Here, we describe a scalable method for monitoring protein-DNA interactions on a microarray surface. This approach was designed to determine the DNA-binding activity of proteins in crude cell extracts, complementing conventional expression profiling arrays. Enzymatic labeling of DNA enables direct normalization of the protein binding to the microarray, allowing the estimation of relative binding affinities. Using DNA sequences covering a range of affinities, we show that the new microarray-based method yields binding strength estimates similar to low-throughput gel mobility-shift assays. The microarray is also of high sensitivity, as it allows the detection of a rare DNA-binding protein from breast cancer cells, the human tumor suppressor AP-2. This approach thus mediates precise and robust assessment of the activity of DNA-binding proteins and takes present DNA-binding assays to a high throughput level.

Mechanistic insights into cytosolic molecular chaperones in protein unfolding and disaggregation

Under optimal non-physiological conditions of low concentrations and low temperatures, proteins may spontaneously fold to the native state, as all the information for folding lies in the amino acid sequence of the polypeptide. However, under conditions of stress or high protein crowding as inside cells, a polypeptide may misfold and enter an aggregation pathway resulting in the formation of misfolded conformers and fibrils, which can be toxic and lead to neurodegenerative illnesses, such as Alzheimer's, Parkinson's or Huntington's diseases and aging in general. To avert and revert protein misfolding and aggregation, cells have evolved a set of proteins called molecular chaperones. Here, I focussed on the human cytosolic chaperones Hsp70 (DnaK) and HspllO, and co-chaperone Hsp40 (DnaJ), and the chaperonin CCT (GroEL). The cytosolic molecular chaperones Hsp70s/Hspll0s and the chaperonins are highly upregulated in bacterial and human cells under different stresses and are involved both in the prevention and the reversion of protein misfolding and aggregation. Hsp70 works in collaboration with Hsp40 to reactivate misfolded or aggregated proteins in a strict ATP dependent manner. Chaperonins (CCT and GroEL) also unfold and reactivate stably misfolded proteins but we found that it needed to use the energy of ATP hydrolysis in order to evict over- sticky misfolded intermediates that inhibited the unfoldase catalytic sites. Ill In this study, we initially characterized a particular type of inactive misfolded monomeric luciferase and rhodanese species that were obtained by repeated cycles of freeze-thawing (FT). These stable misfolded monomeric conformers (FT-luciferase and FT-rhodanese) had exposed hydrophobic residues and were enriched with wrong ß-sheet structures (Chapter 2). Using FT-luciferase as substrate, we found that the Hsp70 orthologs, called HspllO (Sse in yeast), acted similarly to Hsp70 as were bona fide ATP- fuelled polypeptide unfoldases and was much more than a mere nucleotide exchange factor, as generally thought. Moreover, we found that HspllO collaborated with Hsp70 in the disaggregation of stable protein aggregates in which Hsp70 and HspllO acted as equal partners that synergistically combined their individual ATP-consuming polypeptide unfoldase activities to reactivate the misfolded/aggregated proteins (Chapter 3). Using FT-rhodanese as substrate, we found that chaperonins (GroEL and CCT) could catalytically reactivate misfolded rhodanese monomers in the absence of ATP. Also, our results suggested that encaging of an unfolding polypeptide inside the GroEL cavity under a GroES cap was not an obligatory step as generally thought (Chapter 4). Further, we investigated the role of Hsp40, a J-protein co-chaperone of Hsp70, in targeting misfolded polypeptides substrates onto Hsp70 for unfolding. We found that even a large excess of monomeric unfolded a-synuclein did not inhibit DnaJ, whereas, in contrast, stable misfolded a-synuclein oligomers strongly inhibited the DnaK-mediated chaperone reaction by way of sequestering the DnaJ co-chaperone. This work revealed that DnaJ could specifically distinguish, and bind potentially toxic stably aggregated species, such as soluble a-synuclein oligomers involved in Parkinson's disease, and with the help of DnaK and ATP convert them into from harmless natively unfolded a-synuclein monomers (chapter 5). Finally, our meta-analysis of microarray data of plant and animal tissues treated with various chemicals and abiotic stresses, revealed possible co-expressions between core chaperone machineries and their co-chaperone regulators. It clearly showed that protein misfolding in the cytosol elicits a different response, consisting of upregulating the synthesis mainly of cytosolic chaperones, from protein misfolding in the endoplasmic reticulum (ER) that elicited a typical unfolded protein response (UPR), consisting of upregulating the synthesis mainly of ER chaperones. We proposed that drugs that best mimicked heat or UPR stress at increasing the chaperone load in the cytoplasm or ER respectively, may prove effective at combating protein misfolding diseases and aging (Chapter 6).  - Dans les conditions optimales de basse concentration et de basse température, les protéines vont spontanément adopter un repliement natif car toutes les informations nécessaires se trouvent dans la séquence des acides aminés du polypeptide. En revanche, dans des conditions de stress ou de forte concentration des protéines comme à l'intérieur d'une cellule, un polypeptide peu mal se replier et entrer dans un processus d'agrégation conduisant à la formation de conformères et de fibrilles qui peuvent être toxiques et causer des maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson ou la chorée de Huntington. Afin d'empêcher ou de rectifier le mauvais repliement des protéines, les cellules ont développé des protéines appelées chaperonnes. Dans ce travail, je me suis intéressé aux chaperonnes cytosoliques Hsp70 (DnaK) et HspllO, la co-chaperones Hsp40 (DnaJ), le complexe CCT/TRiC et GroEL. Chez les bactéries et les humains, les chaperonnes cytosoliques Hsp70s/Hspl 10s et les « chaperonines» sont fortement activées par différentes conditions de stress et sont toutes impliquées dans la prévention et la correction du mauvais repliement des protéines et de leur agrégation. Hsp70 collabore avec Hsp40 pour réactiver les protéines agrégées ou mal repliées et leur action nécessite de 1ATP. Les chaperonines (GroEL) déplient et réactivent aussi les protéines mal repliées de façon stable mais nous avons trouvé qu'elles utilisent l'ATP pour libérer les intermédiaires collant et mal repliés du site catalytique de dépliage. Nous avons initialement caractérisé un type particulier de formes stables de luciférase et de rhodanese monomériques mal repliées obtenues après plusieurs cycles de congélation / décongélation répétés (FT). Ces monomères exposaient des résidus hydrophobiques et étaient plus riches en feuillets ß anormaux. Ils pouvaient cependant être réactivés par les chaperonnes Hsp70+Hsp40 (DnaK+DnaJ) et de l'ATP, ou par Hsp60 (GroEL) sans ATP (Chapitre 2). En utilisant la FT-Luciferase comme substrat nous avons trouvé que HspllO (un orthologue de Hsp70) était une authentique dépliase, dépendante strictement de l'ATP. De plus, nous avons trouvé que HspllO collaborait avec Hsp70 dans la désagrégation d'agrégats stables de protéines en combinant leurs activités dépliase consommatrice d'ATP (Chapitre 3). En utilisant la FT-rhodanese, nous avons trouvé que les chaperonines (GroEL et CCT) pouvaient réactiver catalytiquement des monomères mal repliés en absence d'ATP. Nos résultats suggérèrent également que la capture d'un polypeptide en cours de dépliement dans la cavité de GroEL et sous un couvercle du complexe GroES ne serait pas une étape obligatoire du mécanisme, comme il est communément accepté dans la littérature (Chapitre 4). De plus, nous avons étudié le rôle de Hsp40, une co-chaperones de Hsp70, dans l'adressage de substrats polypeptidiques mal repliés vers Hsp70. Ce travail a révélé que DnaJ pouvait différencier et lier des polypeptide mal repliés (toxiques), comme des oligomères d'a-synucléine dans la maladie de Parkinson, et clairement les différencier des monomères inoffensifs d'a-synucléine (Chapitre 5). Finalement une méta-analyse de données de microarrays de tissus végétaux et animaux traités avec différents stress chimiques et abiotiques a révélé une possible co-expression de la machinerie des chaperonnes et des régulateurs de co- chaperonne. Cette meta-analyse montre aussi clairement que le mauvais repliement des protéines dans le cytosol entraîne la synthèse de chaperonnes principalement cytosoliques alors que le mauvais repliement de protéines dans le réticulum endoplasmique (ER) entraine une réponse typique de dépliement (UPR) qui consiste principalement en la synthèse de chaperonnes localisées dans l'ER. Nous émettons l'hypothèse que les drogues qui reproduisent le mieux les stress de chaleur ou les stress UPR pourraient se montrer efficaces dans la lutte contre le mauvais repliement des protéines et le vieillissement (Chapitre 6).

Using digital RNA counting and flow cytometry to compare mRNA with protein expression in acute leukemias.

BACKGROUND: The diagnosis of malignant hematologic diseases has become increasingly complex during the last decade. It is based on the interpretation of results from different laboratory analyses, which range from microscopy to gene expression profiling. Recently, a method for the analysis of RNA phenotypes has been developed, the nCounter technology (Nanostring® Technologies), which allows for simultaneous quantification of hundreds of RNA molecules in biological samples. We evaluated this technique in a Swiss multi-center study on eighty-six samples from acute leukemia patients. METHODS: mRNA and protein profiles were established for normal peripheral blood and bone marrow samples. Signal intensities of the various tested antigens with surface expression were similar to those found in previously performed Affymetrix microarray analyses. Acute leukemia samples were analyzed for a set of twenty-two validated antigens and the Pearson Correlation Coefficient for nCounter and flow cytometry results was calculated. RESULTS: Highly significant values between 0.40 and 0.97 were found for the twenty-two antigens tested. A second correlation analysis performed on a per sample basis resulted in concordant results between flow cytometry and nCounter in 44-100% of the antigens tested (mean = 76%), depending on the number of blasts present in a sample, the homogeneity of the blast population, and the type of leukemia (AML or ALL). CONCLUSIONS: The nCounter technology allows for fast and easy depiction of a mRNA profile from hematologic samples. This technology has the potential to become a valuable tool for the diagnosis of acute leukemias, in addition to multi-color flow cytometry.

Development of metabolic labeling strategies to study changes in protein expression

Résumé : Les progrès techniques de la spectrométrie de masse (MS) ont contribué au récent développement de la protéomique. Cette technique peut actuellement détecter, identifier et quantifier des milliers de protéines. Toutefois, elle n'est pas encore assez puissante pour fournir une analyse complète des modifications du protéome corrélées à des phénomènes biologiques. Notre objectif était le développement d'une nouvelle stratégie pour la détection spécifique et la quantification des variations du protéome, basée sur la mesure de la synthèse des protéines plutôt que sur celle de la quantité de protéines totale. Pour cela, nous volions associer le marquage pulsé des protéines par des isotopes stables avec une méthode d'acquisition MS basée sur le balayage des ions précurseurs (precursor ion scan, ou PIS), afin de détecter spécifiquement les protéines ayant intégré les isotopes et d'estimer leur abondance par rapport aux protéines non marquées. Une telle approche peut identifier les protéines avec les plus hauts taux de synthèse dans une période de temps donnée, y compris les protéines dont l'expression augmente spécifiquement suite à un événement précis. Nous avons tout d'abord testé différents acides aminés marqués en combinaison avec des méthodes PIS spécifiques. Ces essais ont permis la détection spécifique des protéines marquées. Cependant, en raison des limitations instrumentales du spectromètre de masse utilisé pour les méthodes PIS, la sensibilité de cette approche s'est révélée être inférieure à une analyse non ciblée réalisée sur un instrument plus récent (Chapitre 2.1). Toutefois, pour l'analyse différentielle de deux milieux de culture conditionnés par des cellules cancéreuses humaines, nous avons utilisé le marquage métabolique pour distinguer les protéines d'origine cellulaire des protéines non marquées du sérum présentes dans les milieux de culture (Chapitre 2.2). Parallèlement, nous avons développé une nouvelle méthode de quantification nommée IBIS, qui utilise des paires d'isotopes stables d'acides aminés capables de produire des ions spécifiques qui peuvent être utilisés pour la quantification relative. La méthode IBIS a été appliquée à l'analyse de deux lignées cellulaires cancéreuses complètement marquées, mais de manière différenciée, par des paires d'acides aminés (Chapitre 2.3). Ensuite, conformément à l'objectif initial de cette thèse, nous avons utilisé une variante pulsée de l'IBIS pour détecter des modifications du protéome dans des cellules HeLa infectée par le virus humain Herpes Simplex-1 (Chapitre 2.4). Ce virus réprime la synthèse des protéines des cellules hôtes afin d'exploiter leur mécanisme de traduction pour la production massive de virions. Comme prévu, de hauts taux de synthèse ont été mesurés pour les protéines virales détectées, attestant de leur haut niveau d'expression. Nous avons de plus identifié un certain nombre de protéines humaines dont le rapport de synthèse et de dégradation (S/D) a été modifié par l'infection virale, ce qui peut donner des indications sur les stratégies utilisées par les virus pour détourner la machinerie cellulaire. En conclusion, nous avons montré dans ce travail que le marquage métabolique peut être employé de façon non conventionnelle pour étudier des dimensions peu explorées en protéomique. Summary : In recent years major technical advancements greatly supported the development of mass spectrometry (MS)-based proteomics. Currently, this technique can efficiently detect, identify and quantify thousands of proteins. However, it is not yet sufficiently powerful to provide a comprehensive analysis of the proteome changes correlated with biological phenomena. The aim of our project was the development of ~a new strategy for the specific detection and quantification of proteomé variations based on measurements of protein synthesis rather than total protein amounts. The rationale for this approach was that changes in protein synthesis more closely reflect dynamic cellular responses than changes in total protein concentrations. Our starting idea was to couple "pulsed" stable-isotope labeling of proteins with a specific MS acquisition method based on precursor ion scan (PIS), to specifically detect proteins that incorporated the label and to simultaneously estimate their abundance, relative to the unlabeled protein isoform. Such approach could highlight proteins with the highest synthesis rate in a given time frame, including proteins specifically up-regulated by a given biological stimulus. As a first step, we tested different isotope-labeled amino acids in combination with dedicated PIS methods and showed that this leads to specific detection of labeled proteins. Sensitivity, however, turned out to be lower than an untargeted analysis run on a more recent instrument, due to MS hardware limitations (Chapter 2.1). We next used metabolic labeling to distinguish the proteins of cellular origin from a high background of unlabeled (serum) proteins, for the differential analysis of two serum-containing culture media conditioned by labeled human cancer cells (Chapter 2.2). As a parallel project we developed a new quantification method (named ISIS), which uses pairs of stable-isotope labeled amino acids able to produce specific reporter ions, which can be used for relative quantification. The ISIS method was applied to the analysis of two fully, yet differentially labeled cancer cell lines, as described in Chapter 2.3. Next, in line with the original purpose of this thesis, we used a "pulsed" variant of ISIS to detect proteome changes in HeLa cells after the infection with human Herpes Simplex Virus-1 (Chapter 2.4). This virus is known to repress the synthesis of host cell proteins to exploit the translation machinery for the massive production of virions. As expected, high synthesis rates were measured for the detected viral proteins, confirming their up-regulation. Moreover, we identified a number of human proteins whose synthesis/degradation ratio (S/D) was affected by the viral infection and which could provide clues on the strategies used by the virus to hijack the cellular machinery. Overall, in this work, we showed that metabolic labeling can be employed in alternative ways to investigate poorly explored dimensions in proteomics.

Proteomic and Metabolomic Analyses of Mitochondrial Complex I-deficient Mouse Model Generated by Spontaneous B2 Short Interspersed Nuclear Element (SINE) Insertion into NADH Dehydrogenase (Ubiquinone) Fe-S Protein 4 (Ndufs4) Gene.

Eukaryotic cells generate energy in the form of ATP, through a network of mitochondrial complexes and electron carriers known as the oxidative phosphorylation system. In mammals, mitochondrial complex I (CI) is the largest component of this system, comprising 45 different subunits encoded by mitochondrial and nuclear DNA. Humans diagnosed with mutations in the gene NDUFS4, encoding a nuclear DNA-encoded subunit of CI (NADH dehydrogenase ubiquinone Fe-S protein 4), typically suffer from Leigh syndrome, a neurodegenerative disease with onset in infancy or early childhood. Mitochondria from NDUFS4 patients usually lack detectable NDUFS4 protein and show a CI stability/assembly defect. Here, we describe a recessive mouse phenotype caused by the insertion of a transposable element into Ndufs4, identified by a novel combined linkage and expression analysis. Designated Ndufs4(fky), the mutation leads to aberrant transcript splicing and absence of NDUFS4 protein in all tissues tested of homozygous mice. Physical and behavioral symptoms displayed by Ndufs4(fky/fky) mice include temporary fur loss, growth retardation, unsteady gait, and abnormal body posture when suspended by the tail. Analysis of CI in Ndufs4(fky/fky) mice using blue native PAGE revealed the presence of a faster migrating crippled complex. This crippled CI was shown to lack subunits of the "N assembly module", which contains the NADH binding site, but contained two assembly factors not present in intact CI. Metabolomic analysis of the blood by tandem mass spectrometry showed increased hydroxyacylcarnitine species, implying that the CI defect leads to an imbalanced NADH/NAD(+) ratio that inhibits mitochondrial fatty acid β-oxidation.

Resting metabolic rate and protein turnover in apparently healthy elderly Gambian men.

Body composition, resting energy expenditure (REE), and whole body protein metabolism were studied in 26 young and 28 elderly Gambian men matched for body mass index during the dry season in a rural village in The Gambia. REE was measured by indirect calorimetry (hood system) in the fasting state and after five successive meals. Rates of whole body nitrogen flux, protein synthesis, and protein breakdown were determined in the fed state from the level of isotopic enrichment of urinary ammonia over a period of 12 h after a single oral dose of [15N]glycine. Expressed in absolute value, REE was significantly lower in the elderly compared with the young group (3.21 +/- 0.07 vs. 4.04 +/- 0.07 kJ/min, P < 0.001) and when adjusted to body weight (3.29 +/- 0.05 vs. 3.96 +/- 0.05 kJ/min, P < 0.0001) and fat-free mass (FFM; 3.38 +/- 0.01 vs. 3.87 +/- 0.01 kJ/min, P < 0.0001). The rate of protein synthesis averaged 207 +/- 13 g protein/day in the elderly and 230 +/- 13 g protein/day in the young group, whereas protein breakdown averaged 184 +/- 13 g protein/day in the elderly and 203 +/- 13 g protein/day in the young group (nonsignificant). When values were adjusted for body weight or FFM, they did not reveal any difference between the two groups. It is concluded that the reduced REE adjusted for body composition observed in elderly Gambian men is not explained by a decrease in protein turnover.

Expression of the alpha 1b-adrenergic receptor and G protein subunits in mammalian cell lines using the Semliki Forest virus expression system.

Semliki Forest virus (SFV) vectors have been efficiently used for rapid high level expression of several G protein-coupled receptors. Here we describe the use of SFV vectors to express the alpha 1b-adrenergic receptor (AR) alone or in the presence of the G protein alpha q and/or beta 2 and gamma 2 subunits. Infection of baby hamster kidney (BHK) cells with recombinant SFV-alpha 1b-AR particles resulted in high specific binding activity of the alpha 1b-AR (24 pmol receptor/mg protein). Time-course studies indicated that the highest level of receptor expression was obtained 30 hours post-infection. The stimulation of BHK cells, with epinephrine led to a 5-fold increase in inositol phosphate (IP) accumulation, confirming the functional coupling of the receptor to G protein-mediated activation of phospholipase C. The SFV expression system represents a rapid and reproducible system to study the pharmacological properties and interactions of G protein coupled receptors and of G protein subunits.

The protein phosphatase 7 regulates phytochrome signaling in Arabidopsis.

The psi2 mutant of Arabidopsis displays amplification of the responses controlled by the red/far red light photoreceptors phytochrome A (phyA) and phytochrome B (phyB) but no apparent defect in blue light perception. We found that loss-of-function alleles of the protein phosphatase 7 (AtPP7) are responsible for the light hypersensitivity in psi2 demonstrating that AtPP7 controls the levels of phytochrome signaling. Plants expressing reduced levels of AtPP7 mRNA display reduced blue-light induced cryptochrome signaling but no noticeable deficiency in phytochrome signaling. Our genetic analysis suggests that phytochrome signaling is enhanced in the AtPP7 loss of function alleles, including in blue light, which masks the reduced cryptochrome signaling. AtPP7 has been found to interact both in yeast and in planta assays with nucleotide-diphosphate kinase 2 (NDPK2), a positive regulator of phytochrome signals. Analysis of ndpk2-psi2 double mutants suggests that NDPK2 plays a critical role in the AtPP7 regulation of the phytochrome pathway and identifies NDPK2 as an upstream element involved in the modulation of the salicylic acid (SA)-dependent defense pathway by light. Thus, cryptochrome- and phytochrome-specific light signals synchronously control their relative contribution to the regulation of plant development. Interestingly, PP7 and NDPK are also components of animal light signaling systems.