Study of the SRR1-gene family in Arabidopsis, yeast and mouse cells

Abstract: Light is a very important environmental cue for plants. In addition to the energy for photosynthesis, it also provides information that is essential for many processes including seed germination, seedlings development, neighbours detection or transition from the vegetative to the reproductive state. Plants evolved different photoreceptors, among which the phytochromes (PHY), which are red/far-red photoreceptors. This family is composed of 5 members in Arabidopsis thaliana, among which phyB plays the major role for detection of red light. Phytochromes are also able to reset the phase of the circadian clock, which is composed of a complicated network of genes able to produce rhythms of about 24 hours, even in constant conditions. SRR1 (Sensitivity to Red light Reduced) is a gene that was shown to act in the phyB pathway as well as in the circadian clock. It was proposed to play a role in the maintenance of rhythms of the core oscillator because of the circadian phenotype of the srr1 mutant in constant light and in constant darkness. In the present study, we present data confirming the role of SRR1 in the core oscillator. Moreover, we show that SRR1 levels are not limiting for circadian rhythms nor for light perception. We show that the protein levels, the sub-cellular localisation or the complex in which SRR1 is found are not regulated in a circadian manner. Orthologues of SRR1 exist in numerous eukaryotes, forming a new gene family. None of the members of this family have been described. Here, we present data suggesting that the mouse orthologue of SRR1 may not be required for oscillation of the circadian clock of mouse cells in culture. The yeast gene (called BER1 for Benomyl REsistant) was studied to understand the biochemical function of this gene family. Based on synthetic genetic screens, a role of Ber1 was inferred in microtubules dynamics, N-terminal acetylation of protein and proteasome biogenesis. The effect of Ber1 on microtubules was confirmed by the observation that the ber1Δ mutant is more resistant to microtubule-depolymerising drugs and microscopic examination of microtubules in ber 1 Δ mutants. Complementation assays of ber1 Δ mutants and srrl mutants failed to reveal any obvious functional conservation of the mouse, yeast and Arabidopsis orthologues. In conclusion, the SRR1 family might encode genes that either plays different roles in different organisms, or have similar biochemical function but are involved in diverse pathway. Résumé: La lumière est un des facteurs abiotiques les plus important pour les plantes. En plus de l'énergie fournie pour la photosynthèse, elle fourni également de l'information nécessaire pour différents processus comme la germination, le développement des jeunes plantules, la détection de plantes avoisinantes ou encore la transition entre le développement végétatif et reproductif. Plusieurs types de photorécepteurs sont apparus chez les plantes au cours de l'évolution, notamment les phytochromes (PHI, qui perçoivent la lumière rouge et rouge lointaine. Cette famille est composé de 5 membres chez Arabidopsis thaliana, parmi lesquels phyB est le principal récepteur pour la lumière rouge. Les phytochromes sont aussi utiles pour la synchronisation entre les cycles jour-nuit dus à la rotation de la terre et l'horloge circadienne. Cette dernière est composée d'un réseau compliqué qui permet la production de rythmes capables de perdurer même en conditions constantes. SRRI (Sensitivity to Red light Reduced) est un gène qui agit dans la voie de signalisation de phyB ainsi que dans l'horloge circadienne. Il a été proposé que SRRI joue un rôle dans la maintenance des rythmes de l'oscillateur principal à cause des phénotypes circadiens du mutant srrl observés en lumière et en obscurité continue. Dans ce travail, nous présentons des données confirmant le rôle de SRR1 dans l'oscillateur principal. Nous montrons que les niveaux d'expression de SRRI ne sont pas limitants pour les rythmes circadiens ou la perception de la lumière. Enfin, nous montrons que le niveau d'accumulation de la protéine, sa localisation subcellulaire ou encore la taille du complexe dans lequel SRRl est trouvé ne sont pas régulés de façon circadiennes. Des orthologues de SRRI existent chez de nombreux eucaryotes, formant une nouvelle famille de gènes. Aucun des membres de cette famille n'a été étudié avant ce travail. Nous présentons des données suggérant que l'orthologue de la souris n'est peut-être pas requis pour les oscillations de l'horloge circadienne de cellules de souris en culture. Le gène de la levure (appelé SERI pour Benomyl REsistant) a été étudié afin de mieux comprendre la fonction biochimique de cette famille de gène. Une analyse par crible synthétique léthal a révélé un rôle de Ber1 dans la dynamique des microtubules, l'acétylation des protéines en N-terminal et la biogenèse du protéasome. L'effet de Ber1 sur les microtubules a été confirmé par l'observation du mutant ber1 en présence de drogue capable de dépolymériser les microtubules. Celui-ci est plus résistant à ces drogues que le type sauvage. Des expériences de complémentation n'ont pas montré de conservation de la fonction entre SRRI et ses homologues de souris ou de levure. En conclusion, la famille SRRI code pour des gènes qui pourraient avoir soit des rôles différents selon les organismes, soit la même fonction biochimique mais qui serait utile pour des voies de signalisation différentes.

SOURCE, FATE AND FUNCTION OF EARLY GLIAL CELLS EXPRESSING NKX2.1 IN MOUSE EMBRYONIC BRAINS

The brain tissue is made of neuronal and glial cells generated in the germinal layer bordering the ventricles. These cells divide, differentiate and migrate following specific pathways. The specification of GABAergic interneurons and glutamatergic neurons has been broadly studied but little is known about the origin, the fate and the function of early glial cells in the embryonic telencephalon. It has been commonly accepted since long that the glial cells and more particularly the astrocytes were generated after neurogenesis from the dorsal telencephalon. However, our work shows that, unlike what was previously thought, numerous glial cells (astroglia and polydendrocytes) are generated during neurogenesis in the early embryonic stages from E14.5 to E16.5, and originate from the ventral Nkx2.1-expressing precursors instead. NK2 homeobox 1 (Nkx2.1) is a member of the NK2 family of homeodomaincontaining transcription factors. The specification of the MGE precursors requires the expression of the Nkx2.1 homeobox gene. Moreover, Nkx2.1 is previously known to regulate the specification of GABAergic interneurons and early oligodendrocytes in the ventral telencephalon. Here, in my thesis work, I have discovered that, in addition, Nkx2.1 also regulates astroglia and polydendrocytes differentiation. The use of Nkx2.1 antibody and Nkx2.1 riboprobe have revealed the presence of numerous Nkx2.1-positive cells that express astroglial markers (like GLAST and GFAP) in the entire embryonic brain. Thus, to selectively fate map MGE-derived GABAergic interneurons and glia, we crossed Nkx2.1-Cre mice, Glast-Cre ERT+/- inducible mice and NG2-Cre mice with the Cre reporter Rosa26-lox-STOP-lox-YFP (Rosa26-YFP) mice. The precise origin of Nkx2.1-positive astroglia has been directly ascertained by combining glial immunostaining and focal electroporation of the pCAG-GS-EGFP plasmids into the subpallial domains of organotypic slices, as well as, by using in vitro neurosphere experiments and in utero electroporation of the pCAG-GS-tomato plasmid into the ventral pallium of E14.5 Nkx2.1-Cre+/Rosa-YFP+/- embryos. We have, thus, confirmed that the three germinal regions of the ventral telencephalon i.e. the MGE, the AEP/POA and the triangular septal nucleus are able to generate early astroglial cells. Moreover, immunohistochemistry for several astroglial cells and polydendrocyte markers, both in the Nkx2.1-/- and control embryos and in the neurospheres, has revealed a severe loss of both glial cell types in the Nkx2.1 mutants. We found that the loss of glia corresponded to a decrease of Nkx2.1-derived precursor division capacity and glial differentiation. There was a drastic decrease of BrdU+ dividing cells labeled for Nkx2.1 in the MGE*, the POA* and the septal nucleus* of Nkx2.1 mutants. In addition, we noticed that while some remaining Nkx2.1+ precursors still succeeded to give rise to post-mitotic neurons in vitro and in vivo in the Nkx2.1-/-, they completely lost the capacity to differentiate in astrocytes. Altogether, these observations indicate for the first time that the transcription factor Nkx2.1 regulates the proliferation and differentiation of precursors in three subpallial domains that generate early embryonic astroglia and polydendrocytes. Furthermore, in order to investigate the potential function of these early Nkx2.1- derived glia, we have performed multiple immunohistochemical stainings on Nkx2.1-/- and wild-type animals, and Nkx2.1-Cre mice that were crossed to Rosa-DTA+/- mice in which the highly toxic diphtheria toxin aided to selectively deplete a majority of the Nkx2.1-derived cells. Interestingly, in these two mutants, we observed a drastic and significant loss of GFAP+, GLAST+, NG2+ and S100ß+ astroglial cells at the telencephalic midline and in the medial cortical areas. This cells loss could be directly correlated with severe axonal guidance defects observed in the corpus callosum (CC), the hippocampal commissure (HIC), the fornix (F) and the anterior commissure (AC). Axonal guidance is a key step allowing neurons to form specific connections and to become organized in a functional network. The contribution of guidepost cells inside the CC and the AC in mediating the growth of commissural axons have until now been attributed to specialized midline guidepost astroglia. Previous published results in our group have unravelled that, during embryonic development, the CC is populated in addition to astroglia by numerous glutamatergic and GABAergic guidepost neurons that are essential for the correct midline crossing of callosal axons. Therefore, the relative contribution of individual neuronal or glial populations towards the guidance of commissural axons remains largely to be investigated to understand guidance mechanisms further. Thus, we crossed Nkx2.1-Cre mice with NSE-DTA+/- mice that express the diphtheria toxin only in neurons and allowed us to selectively deplete Nkx2.1-derived GABAergic neurons. Interestingly, in the Nkx2.1-/- mice, the CC midline was totally disorganized and the callosal axons partly lost their orientation, whereas in the Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- and the Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice, the axonal organization of the CC was not affected. In the three types of mice, hippocampal axons of the fornix were not properly fasciculated and formed disoriented bundles through the septum. Additionally, the AC formation was completely absent in Nkx2.1-/- mice and the AC was divided into two/three separate paths in the Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- mice that project in wrong territories. On the other hand, the AC didn't form or was reduced to a relatively narrower tract in the Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice as compared to wild-type AC. These results clearly indicate that midline Nkx2.1-derived cells play a major role in commissural axons pathfinding and that both Nkx2.1-derived guidepost neurons and glia are necessary elements for the correct development of these commissures. Furthermore, during our investigations on Nkx2.1-/- and Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- mice, we noticed similar and severe defects in the erythrocytes distribution and the blood vessels network morphology in the embryonic brain of both mutants. As the Cre-mediated recombination was never observed to occur in the blood vessels of Nkx2.1-Cre mice, we inferred that the vessels defects observed were due to the loss of Nkx2.1-derived cells and not to the cells autonomous effects of Nkx2.1 in regulating endothelial cell precursors. Thereafter, the respective contribution of individual Nkx2.1-regulated neuronal or glial populations in the blood vessels network building were studied with the use of transgenic mice strains. Indeed, the use of Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice indicated that the Nkx2.1-derived neurons were not implicated in this process. Finally, to discriminate between the two Nkx2.1-derived glial cell populations, the GLAST+ astroglia and the NG2+ polydendrocytes, an NG2-Cre mouse strain crossed to the Rosa-DTA+/- mice was used. In that mutant, the blood vessel network and the erythrocytes distribution were similarly affected as observed in Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- animals. Therefore, this result indicates that most probably, the NG2+ polydendrocytes are involved in helping to build the vessels network in the brain. Taken altogether, these observations show that during brain development, Nkx2.1- derived embryonic glial cells act as guidepost cells on the guidance of axons as well as forming vessels. Both Nkx2.1-regulated guidepost GABAergic neurons and glia collaborate to guide growing commissural axons, while polydendrocytes are implicated in regulating brain angiogenesis. - Le tissu cérébral est composé de cellules neuronales et gliales générées dans les couches germinales qui bordent les ventricules. Ces cellules se divisent, se différencient et migrent selon des voies particulières. La spécification des interneurones GABAergiques et des neurones glutamatergiques a été largement étudiée, par contre, l'origine, le destin et la fonction des cellules gliales précoces du télencéphale embryonnaire restent peu élucidées. Depuis longtemps, il était communément accepté que les cellules gliales, et plus particulièrement les astrocytes, sont générés après la neurogénèse à partir du télencéphale dorsal. Toutefois, notre travail montre que de nombreuses cellules gliales sont générées à partir de précurseurs ventraux qui expriment le gène Nkx2.1, entre E14.5 et E16.5, c'est-à dire,à des stades embryonnaires très précoces. Le gène NK2 homéobox 1 (Nkx2.1) appartient à une famille de facteurs de transcription appelée NK2. Il s'agit de protéines qui contiennent un homéo-domaine. La spécification des précurseurs de la MGE requiert l'expression du gène homéobox Nkx2.1. De plus, la fonction du gène Nkx2.1 dans la régulation de la spécification des interneurones GABAergiques et des oligodendrocytes dans le télencéphale ventral était déjà connue. Au cours de mon travail de thèse, j'ai également mis en évidence que, Nkx2.1 régule aussi les étapes de prolifération et de différenciation de divers sous-types de cellules gliales soit de type astrocytes ou bien polydendrocytes. L'utilisation d'un anticorps contre la protéine Nkx2.1 ainsi qu'une sonde à ribonucléotides contre l'ARN messager du gène Nkx2.1 ont révélé la présence de nombreuses cellules positives pour Nkx2.1 qui exprimaient des marqueurs astrocytaires (comme GLAST et GFAP) dans le télencéphale embryonnaire. Afin de déterminer de manière sélective le sort des interneurones GABAergiques, des polydendrocytes et des astrocytes dérivés de la MGE, nous avons croisé soit des souris Nkx2.1-Cre, des souris Glast-Cre ERT+/- inductibles ou bien des souris NG2-Cre avec des souris Rosa26-lox-STOP-lox-YFP (Rosa26-YFP) Cre rapportrices. L'origine précise des astroglies positives pour Nkx2.1 a été directement établie en combinant une coloration immunologique pour les glies et une électroporation focale d'un plasmide pCAG-GS-EGFP dans les domaines subpalliaux de tranches organotypiques, puis également, par des cultures de neurosphères in vitro et des expériences d'électroporation in utero d'un plasmide pCAG-GS-tomato dans le pallium ventral d'embryons Nkx2.1-Cre+/Rosa- YFP+/- au stade E14.5. Nous avons donc confirmé que les trois régions germinales du télencéphale ventral, c'est-à-dire, la MGE, l'AEP/POA et le noyau triangulaire septal sont capables de générer des cellules astrogliales. D'autre part, l'immunohistochimie pour plusieurs marqueurs d'astrocytes ou de polydendrocytes, dans les embryons Nkx2.1-/- et contrôles ainsi que dans les neurosphères, a révélé une sévère perte de ces deux types gliaux chez les mutants. Nous avons trouvé que la perte de glies correspondait à une diminution de la capacité de division des précurseurs dérivés de Nkx2.1, ainsi que l'incapacité de ces précurseurs de se différencier en cellules gliales. Nous avons en effet observé une diminution importante des cellules BrdU+ en division exprimant Nkx2.1dans la MGE*, la POA* et le noyau septal* des mutants pour Nkx2.1. D'autre part, nous avons pu mettre en évidence aussi bien in vitro, qu'in vivo, que certains précurseurs Nkx2.1+ chez le mutant gardent la capacité à se différencier en neurones tandis qu'ils perdent celle de se différencier en cellules gliales. Prises dans leur ensemble, ces observations indiquent pour la première fois que le facteur de transcription Nkx2.1 régule les étapes de prolifération et de différentiation des précurseurs des trois domaines subpalliaux qui génèrent les astroglies et polydendrocytes embryonnaires précoces. Par la suite, dans le but de comprendre la fonction potentielle de ces glies précoces, nous avons procédé à de multiples colorations immunohistochimiques sur des animaux Nkx2.1-/- et sauvages, ainsi que sur des souris Nkx2.1-Cre croisées à des souris Rosa-DTA+/- dans lesquelles la toxine diphthérique hautement toxique a permis de supprimer sélectivement la majorité des cellules dérivées de Nkx2.1. De manière intéressante, nous avons observé dans ces deux mutants, une perte drastique et significative de cellules astrogliales GFAP+, GLAST+ et polydendrocytaires NG2+ et S100ß+ dans le télencéphale, à la midline et dans les aires corticales médianes. Ces pertes ont pu être directement corrélées avec des défauts de guidage axonal observés dans le corps calleux (CC), la commissure hippocampique (HIC), le fornix (F) et la commissure antérieure (AC). Le guidage axonal est une étape clé permettant aux neurones de former des connections spécifiques et de s'organiser dans un réseau fonctionnel. La contribution des cellules « guidepost » dans le CC et dans la AC comme médiateurs de la croissance des axones commissuraux à jusqu'à aujourd'hui été attribuée spécifiquement à des astroglies « guidepost » de la midline. Des résultats publiés précédemment dans notre groupe, ont permis de montrer que, pendant le développement embryonnaire, le CC est peuplé en plus de la glie par de nombreux neurones « guidepost » glutamatergiques et GABAergiques qui sont essentiels pour le croisement correct des axones callosaux à la midline. Ainsi, la contribution relative des populations individuelles neuronales ou gliales pour le guidage des axones commissuraux demande à être approfondie afin de mieux comprendre les mécanismes de guidage. A ces fins, nous avons croisé des souris Nkx2.1-Cre avec des souris NSE-DTA+/- qui expriment la toxine diphthérique uniquement dans les neurones et ainsi, nous avons pu sélectivement supprimer les neurones dérivés de domaines Nkx2.1+. Dans les souris Nkx2.1-/-,nous avons découvert que le CC était désorganisé avec des axones callosaux perdant partiellement leur orientation, alors que dans les souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- et Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/-, l'organisation axonale n'était pas affectée. De plus, les faisceaux hippocampiques du fornix étaient défasciculés dans les trois types de mutants. Par ailleurs, la formation de la commissure antérieure (AC) était complètement absente dans les souris Nkx2.1-/- d'une part, et d'autre part, celle-ci était divisée en deux à trois voies séparées dans les souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-. Finalement, la AC était soit absente, soit réduite de manière ne former plus qu'un faisceau relativement plus étroit dans les souris Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- en comparaison avec la AC sauvage. Ces derniers résultats indiquent clairement que les cellules dérivées de Nkx2.1 à la midline, jouent un rôle majeur dans le guidage des axones commissuraux et que, autant les neurones, que les astrocytes « guidepost » dérivés de Nkx2.1, sont des éléments nécessaires au développement correct de ces commissures. En outre, lors de nos investigations sur les souris Nkx2.1-/- et Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-, nous avons remarqués des défauts sévères et similaires dans la distribution des erythrocytes et dans la morphologie du réseau de vaisseaux sanguins dans le cerveau embryonnaire des deux mutants précités. Puisque nous n'avons jamais observé de recombinaison de la Cre recombinase dans les vaisseaux sanguins des souris Nkx2.1Cre, nous en avons déduit que les défauts de vaisseaux observés étaient dus à la perte de cellules dérivées de Nkx2.1. Il existerait donc en plus de la fonction cellulaire autonome de Nkx2.1 reconnue pour régulée directement la spécification des cellules endothéliales, une fonction indirecte de Nkx2.1. Afin de déterminer la contribution respective des populations individuelles neuronales ou gliales régulées par Nkx2.1 dans la construction du réseau de vaisseaux sanguins, nous avons utilisé diverses lignées de souris transgéniques. L'utilisation de souris Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- a indiqué que les neurones dérivés de Nkx2.1 n'étaient pas impliqués dans ce processus. Finalement, afin de discriminer entre les deux populations de cellules gliales dérivées de Nkx2.1, les astroglies et les polydendrocytes, nous avons croisé une lignée de souris NG2-Cre avec des souris Rosa-DTA+/-. Dans ce dernier mutant, le réseau de vaisseaux sanguins du cortex ainsi que la distribution des erythrocytes étaient affectés de la même manière que dans le cortex des souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-. Par conséquent, ce résultat indique que très probablement, les polydendrocytes NG2+ sont impliqués dans la mise en place du réseau de vaisseaux dans le cerveau. Prises dans leur ensemble, ces observations montrent que durant le développement embryonnaire du cerveau, des sous-populations de glies régulées par Nkx2.1 jouent un rôle de cellules « guidepost » dans le guidage des axones, ainsi que des vaisseaux. Les polydendrocytes sont impliquées dans la régulation de l'angiogenèse tandis que, autant les neurones GABAergiques que les astrocytes collaborent dans le guidage des axones commissuraux en croissance.

Direct identification of recombinant vaccinia virus plaques by PCR.

A fast method for the identification of recombinant vaccinia viruses directly from individual plaques is described. Plaques are picked, resuspended in PBS-A and processed for PCR using two 'universal' primers. The amplified sequences are analyzed by agarose gel electrophoresis. This procedure allows discrimination between spontaneously arising TK-negative mutants, which do not carry the inserted gene, and the desired TK-negative recombinants resulting from insertional inactivation of the TK gene.

Choice of an adequate promoter for efficient complementation in Saccharomyces cerevisiae: a case study.

Conservation of the function of open reading frames recently identified in fungal genome projects can be assessed by complementation of deletion mutants of putative Saccharomyces cerevisiae orthologs. A parallel complementation assay expressing the homologous wild type S. cerevisiae gene is generally performed as a positive control. However, we and others have found that failure of complementation can occur in this case. We investigated the specific cases of S. cerevisiae TBF1 and TIM54 essential genes. Heterologous complementation with Candida glabrata TBF1 or TIM54 gene was successful using the constitutive promoters TDH3 and TEF. In contrast, homologous complementation with S. cerevisiae TBF1 or TIM54 genes failed using these promoters, and was successful only using the natural promoters of these genes. The reduced growth rate of S. cerevisiae complemented with C. glabrata TBF1 or TIM54 suggested a diminished functionality of the heterologous proteins compared to the homologous proteins. The requirement of the homologous gene for the natural promoter was alleviated for TBF1 when complementation was assayed in the absence of sporulation and germination, and for TIM54 when two regions of the protein presumably responsible for a unique translocation pathway of the TIM54 protein into the mitochondrial membrane were deleted. Our results demonstrate that the use of different promoters may prove necessary to obtain successful complementation, with use of the natural promoter being the best approach for homologous complementation.

Oviposition by pierid butterflies triggers defense responses in Arabidopsis.

Insect eggs represent a threat for the plant as hatching larvae rapidly start with their feeding activity. Using a whole-genome microarray, we studied the expression profile of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) leaves after oviposition by two pierid butterflies. For Pieris brassicae, the deposition of egg batches changed the expression of hundreds of genes over a period of 3 d after oviposition. The transcript signature was similar to that observed during a hypersensitive response or in lesion-mimic mutants, including the induction of defense and stress-related genes and the repression of genes involved in growth and photosynthesis. Deposition of single eggs by Pieris rapae caused a similar although much weaker transcriptional response. Analysis of the jasmonic acid and salicylic acid mutants coi1-1 and sid2-1 indicated that the response to egg deposition is mostly independent of these signaling pathways. Histochemical analyses showed that egg deposition is causing a localized cell death, accompanied by the accumulation of callose, and the production of reactive oxygen species. In addition, activation of the pathogenesis-related1::beta-glucuronidase reporter gene correlated precisely with the site of egg deposition and was also triggered by crude egg extract. This study provides molecular evidence for the detection of egg deposition by Arabidopsis plants and suggests that oviposition causes a localized response with strong similarity to a hypersensitive response.

Long-distance wound signalling in arabidopsis

The leaves of all plants use elaborate and inducible defence systems to protect themselves. A wide variety of such defences are known and they include defence chemicals such as alkaloids, phenolics and terpenes, physical structures ranging from fibre cells to silica deposits, and a wide variety of defence proteins many of which target digestive processes in herbivores. It has long been known that the defence responses of plants under attack by insects are not restricted to the site of attack. Instead, if a leaf is damaged, defence can be triggered in other parts of the plant body, for example in distal leaves or even in roots and flowers. This raises the question of what are the organ-to-organ signals that coordinate this process. Several hypotheses have been proposed. These include the long-distance transfer of chemical signals through the plant vasculature, hydraulic signals that may transit through the xylem, and electrical signals that would move through living tissues such as the phloem. Much evidence for each of these scenarios has been published. In this thesis we took advantage of the fact that many plant defence responses are regulated by a signal transduction pathway based on a molecule called jasmonic acid. We used this molecule, one of its derivatives (jasmonoyl-isoleucine), and some of the genes it regulates as markers. Using these we investigated the possible role of the electrical signals in the leaf- to-leaf activation of the jasmonate pathway. We found that feeding insects stimulate easily detected electrical activity in the leaves of Arabidopsis thaliana and we used non-invasive surface electrodes to record this activity. This approach showed that jasmonate pathway activity and the electrical activity provoked by mechanical wounding occurred within identical spatial boundaries. Measurements of the apparent speed of surface potentials agreed well with previous velocity estimates for the speed of leaf-to-leaf signals that activate the jasmonate pathway. Using this knowledge we were able to investigate the effects of current injection into Arabidopsis leaves. This resulted in the strong expression of many jasmonate-regulated genes. All these results showed that electrical activity and the activation of jasmonate signalling were highly correlated. In order to test for possible causal links between the two processes, we conducted a small-scale reverse genetic screen on a series of T-DNA insertion mutants in ion channel genes and in other genes encoding proteins such as proton pumps. This screen, which was based on surface potential measurements, revealed that mutations in genes related to ionotropic glutamate receptors in animals had impaired electrical activity after wounding. Combining mutation of two of these glutamate-receptor-like genes in a double mutant reduced the response of leaves to current injection. When a leaf of this double mutant was wounded it failed to transmit a long-distance signal to a distal leaf. This result distinguished the double mutant from the wild-type plant and provides the first genetic evidence that electrical signalling is necessary to coordinate defence responses between organs in plants. - Les feuilles des plantes disposent de systèmes de défense inductibles très élaborés. Un grand nombre de ces systèmes de défenses sont connus et sont basés sur des composés chimiques comme les alcaloïdes, les composés phénoliques ou les terpènes, des systèmes physiques allant de la production de cellules fibreuses aux cristaux de silice ainsi qu'un grand nombre de protéines de défense ciblant le processus digestif des herbivores. Il est connu dépuis longtemps que la réponse défensive de la plante face à l'attaque pas un insecte n'est pas seulement localisée au niveau de la zone d'attaque. A la place, si une feuille est attaquée, les systèmes de défense peuvent être activés ailleurs dans la plante, comme par exemple dans d'autres feuilles, les racines ou même les fleurs. Ces observations soulèvent la question de la nature des signaux d'organes à organes qui régulent ces systèmes. Plusieurs hypothèses ont été formulées; une ou plusieures molécules pourraient être véhiculées dans la plante grâce au système vasculaire, un signal hydraulique transmis au travers du xylème ou encore des signaux électriques transmis par les cellules comme dans le phloème par exemple. De nombreuses études ont été publiées sur ces différentes hypothèses. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi d'utiliser à notre avantage le fait que de nombreuses réponses de défense de la plante sont régulées par une même voie de signalisation utilisant l'acide jasmonique. Nous avons utilisé comme marqueurs cette molécule, un de ses dérivés (le jasmonoyl-isoleucine) ainsi que certains des gènes que l'acide jasmonique régule. Nous avons alors testé l'implication de la transmission de signaux électriques dans l'activation de la voie du jasmonate de feuille à feuille. Nous avons découvert que les insectes qui se nourrissent de feuilles d'Arabidopsis thaliana activent un signal électrique que nous avons pu mesurer grâce à une technique non invasive d'électrodes de surface. Les enregistrements ont montré que la génération de signaux électriques et l'activation de la voie du jasmonate avaient lieu aux mêmes endroits. La mesure de la vitesse de déplacement des impulsions électriques correspond aux estimations faites concernant l'activation de la voie du jasmonate. Grâce à cela, nous avons pu tester l'effet d'injection de courant électrique dans les feuilles d'Arabidopsis. La conséquence a été une forte expression de nombreux gènes de la voie du jasmonate, suggérant une forte corrélation entre l'activité électrique et l'activation de la voie du jasmonate. Afin de tester le lien de cause entre ces deux phénomènes, nous avons entrepris un criblage génétique sur une série de mutants d'insertion à l'ADN-T dans des gènes de canaux ioniques et d'autres gènes d'intérêt comme les gènes des pompes à protons. Ce criblage, basé sur la mesure de potentiels de surface, a permis de montrer que plusieurs mutations de gènes liés aux récepteurs au glutamate ionotropique présentent une baisse drastique de leurs activités électriques après une blessure mécanique des feuilles par rapport au type sauvage. Par la combinaison de deux mutations de ces récepteurs au glutamate en un double mutant, on obtient une réponse à la stimulation électrique encore plus faible. Quand une feuille du double mutant est blessée, elle est incapable de transmettre un signal à longue distance vers une feuille éloignée. Ce résultat permet de distinguer le double mutant de la plante sauvage et amène la première preuve génétique que l'activité électrique est nécessaire pour coordonner les réponses de défense entre les organes chez les plantes.

A gating mutation in the internal pore of ASIC1a.

Using a substituted cysteine accessibility scan, we have investigated the structures that form the internal pore of the acid-sensing ion channel 1a. We have identified the amino acid residues Ala-22, Ile-33, and Phe-34 in the amino terminus and Arg-43 in the first transmembrane helix, which when mutated into cysteine, were modified by intracellular application of MTSET, resulting in channel inhibition. The inhibition of the R43C mutant by internal MTSET requires opening of the channel. In addition, binding of Cd2+ ions to R43C slows the channel inactivation. This indicates that the first transmembrane helix undergoes conformational changes during channel inactivation. The effect of Cd2+ on R43C can be obtained with Cd2+ applied at either the extracellular or the intracellular side, indicating that R43C is located in the channel pore. The block of the A22C, I33C, and F34C mutants by MTSET suggests that these residues in the amino terminus of the channel also participate to the internal pore.

Membrane association of the RNA-dependent RNA polymerase is essential for hepatitis C virus RNA replication.

The hepatitis C virus (HCV) RNA-dependent RNA polymerase (RdRp), represented by nonstructural protein 5B (NS5B), belongs to a class of integral membrane proteins termed tail-anchored proteins. Its membrane association is mediated by the C-terminal 21 amino acid residues, which are dispensable for RdRp activity in vitro. For this study, we investigated the role of this domain, termed the insertion sequence, in HCV RNA replication in cells. Based on a structural model and the amino acid conservation among different HCV isolates, we designed a panel of insertion sequence mutants and analyzed their membrane association and RNA replication. Subgenomic replicons with a duplication of an essential cis-acting replication element overlapping the sequence that encodes the C-terminal domain of NS5B were used to unequivocally distinguish RNA versus protein effects of these mutations. Our results demonstrate that the membrane association of the RdRp is essential for HCV RNA replication. Interestingly, certain amino acid substitutions within the insertion sequence abolished RNA replication without affecting membrane association, indicating that the C-terminal domain of NS5B has functions beyond serving as a membrane anchor and that it may be involved in critical intramembrane protein-protein interactions. These results have implications for the functional architecture of the HCV replication complex and provide new insights into the expanding spectrum of tail-anchored proteins.

A positive interaction between inhibitors of protein synthesis and cefepime in the fight against methicillin-resistant Staphylococcus aureus.

Quinupristin-dalfopristin (Q-D) synergizes with cefepime for the treatment of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). Here, we studied whether the synergism was restricted to MRSA and if it extended to non-beta-lactam cell wall inhibitors or to other inhibitors of protein synthesis. Three MRSA and two methicillin-susceptible S. aureus (MSSA) strains were tested, including an isogenic pair of mecA (-)/mecA (+) S. aureus Newman. The drug interactions were determined by fractional inhibitory concentration (FIC) indices and population analysis profiles. The antibacterial drugs that we used included beta-lactam (cefepime) and non-beta-lactam cell wall inhibitors (D-cycloserine, fosfomycin, vancomycin, teicoplanin), inhibitors of protein synthesis (Q-D, erythromycin, chloramphenicol, tetracycline, linezolid, fusidic acid), and polynucleotide inhibitors (cotrimoxazole, ciprofloxacin). The addition of each protein inhibitor to cefepime was synergistic (FIC ≤ 0.5) or additive (FIC > 0.5 but < 1) against MRSA, but mostly indifferent against MSSA (FIC ≥ 1 but ≤ 4). This segregation was not observed after adding cotrimoxazole or ciprofloxacin to cefepime. Population analysis profiles were performed on plates in the presence of increasing concentrations of the cell wall inhibitors plus 0.25 × minimum inhibitory concentration (MIC) of Q-D. Cefepime combined with Q-D was synergistic against MRSA, but D-cycloserine and glycopeptides were not. Thus, the synergism was specific to beta-lactam antibiotics. Moreover, the synergism was not lost against fem mutants, indicating that it acted at another level. The restriction of the beneficial effect to MRSA suggests that the functionality of penicillin-binding protein 2A (PBP2A) was affected, either directly or indirectly. Further studies are necessary in order to provide a mechanism for this positive interaction.

A repeated GGA motif is critical for the activity and stability of the riboregulator RsmY of Pseudomonas fluorescens.

The riboregulator RsmY of Pseudomonas fluorescens strain CHA0 is an example of small regulatory RNAs belonging to the global Rsm/Csr regulatory systems controlling diverse cellular processes such as glycogen accumulation, motility, or formation of extracellular products in various bacteria. By binding multiple molecules of the small regulatory protein RsmA, RsmY relieves the negative effect of RsmA on the translation of several target genes involved in the biocontrol properties of strain CHA0. RsmY and functionally related riboregulators have repeated GGA motifs predicted to be exposed in single-stranded regions, notably in the loops of hairpins. The secondary structure of RsmY was corroborated by in vivo cleavage with lead acetate. RsmY mutants lacking three or five (out of six) of the GGA motifs showed reduced ability to derepress the expression of target genes in vivo and failed to bind the RsmA protein efficiently in vitro. The absence of GGA motifs in RsmY mutants resulted in reduced abundance of these transcripts and in a shorter half-life (< or = 6 min as compared with 27 min for wild type RsmY). These results suggest that both the interaction of RsmY with RsmA and the stability of RsmY strongly depend on the GGA repeats and that the ability of RsmY to interact with small regulatory proteins such as RsmA may protect this RNA from degradation.

"In vitro" reconstitution of the fragmentation of vacuoles

Résumé La fragmentation des membranes est un processus commun à beaucoup d'organelles dans une cellule. Les mitochondries, le noyau, le réticulum endoplasmique, les phagosomes, les peroxisomes, l'appareil de Golgi et les lysosomes (vacuoles chez la levure) se fragmentent en plusieurs copies en réponse à des sitmulis environnementaux, tels que des stresses, ou dans une situtation normale durant le cycle cellulaire, afin d' être transférer dans les cellules filles. La fragmentation des membranes est également observée pendant le processus d'endocytose, lors de la formation de vésicules endocytiques, mais également dans tout le traffic intracellulaire, lors de la genèse d'une vésicule de transport. Le processus de fragmentation est donc généralement important. La découverte en 1991 d'une dynamin-like GTPase comme protéine impliquée dans la fragmentation de la membrane plasmique durant l'endocytose a ouvert ce domaine de recherche. Dès lors des dynamines ont été découvertes sur la pluspart des organelles, ce qui suggère un processus de fragmentation des membranes commun à l'ensemble de la cellule. Cependant, l'ensemble des protéines impliquées ainsi que le mécanisme de la fragmentation reste encore à élucider. Mon projet de thèse était d'établir un test in vitro de fragmentation des vacuoles utile à la compréhension du mécanisme de ce processus. Le choix de ce système est judicieux pour plusieurs raisons; premièrement les vacuoles fragmentent naturellement durant le cycle cellulaire, deuxièment leur taille permet de visualiser facilement leur morphologie par simple microscopie optique, finalement elles peuvent être isolées en quantité intéressante avec un haut degré de pureté. In vivo, les vacuoles peuvent être facilement fragmentées par un stress osmotique. Un tel test permet d'identifier des protéines impliquées dans le mécanisme comme dans le criblage que j'ai effectué sur l'ensemble de la collection de délétions des gènes non-essentiels chez la levure. Cependant un test in vitro est ensuite indispensable pour jouer avec les protéines découvertes afin d'en élucider le mécanisme. Avec mon test in vitro, j'ai confirmé l'implication des protéines SNAREs dans la fragmentation et j'ai permis de comprendre la régulation de la quantité de vacuoles et de leur taille par le complexe TORC1 dans une situation de stress. 7 Résumé large public Les cellules de chaque organisme sont composées de différents compartiments appelés organelles. Chacun possède une fonction bien définie afin de permettre la vie et la croissance de la cellule. Ils sont entourés de membrane, qui joue le role de barrière spécifiquement perméable, afin de garder l'intégrité de chacun. Dans des conditions de croissance normale, les cellules prolifèrent. Durant la division cellulaire amenant à la formation d'une nouvelle cellule, chaque organelle doit se diviser afin de fournir l'ensemble des organelles à la cellule fille. La division de chaque organelle nécessite la fragmentation de la membrane les entourant. Des protéines dynamine-like GTPase ont été découvertes sur presque l'ensemble des organelles d'une cellule. Elles sont impliquées dans les processus de fragmentation des membranes. Dès lors l'idée d'un mécanisme commun est apparu. Cependant cette réaction, par sa complexité, ne peut pas impliquer une protéine unique. La découverte d'autres facteurs et la compréhension du mécanisme reste à faire. La première étape peut se faire par étude in vivo, c'est-à-dire avec des cellules entières, la deuxième étape, quant à elle, nécessite d'isoler les protéines impliquées et de jouer avec les différents paramètres, ce qui signifie donc un travail in vitro, séparé des cellules. Mon travail a constisté à établir un procédé expérimental in vitro pour étudier la fragmentation des membranes. Je travaille avec des vacuoles de levures pour étudier les réactions membranaires. Les vacuoles sont les plus grandes organelles présentes dans les levures. Elles sont impliquées principalement dans la digestion. Comme toute organelle, elles se fragmentent durant la division cellulaire. Le procédé expérimental comporte une première étape, l'isolation des vacuoles et, deuxièmement, l'incubation de celles-ci avec des composés essentiels à la réaction. En parallèle, j'ai mis en évidence, par un travail in vivo, de nouvelles protéines impliquées dans le processus de fragmentation des membranes. Ceci a été fait en réalisant un criblage par microscopie d'une collection de mutants. Parmi ces mutants, j'ai cherché ceux qui présentaient un défaut dans la fragmentation des vacuoles. Ces deux procédés expérimentaux, in vitro et in vivo, m'ont permis de découvrir de nouvelles protéines impliquées dans cette réaction, ainsi que de mettre en évidence un mécanisme utlilisé par la cellule pour réguler la fragmentation des vacuoles. 8 Summary Fragmentation of membranes is common for many organelles in a cell. Mitochondria, nucleus, endoplasmic reticulum, phagosomes, peroxisomes, Golgi and lysosomes (vacuoles in yeast) fragment into multiple copies in response to environmental stimuli, such as stresses, or in a normal situation during the cell cycle in order to be transferred into the daughter cell. Fragmentation of membrane occurs during endocytosis, at the latest step in endocytic vesicle formation, and also in intracellular trafficking, when traffic vesicles bud. This field of research was opened in 1991 when a dynamin-like GTPase was found to be involved in fragmentation of the plasma membrane during endocytosis. Since dynamin-like GTPases have been found on most organelles, similarities in their mechanisms of fragmentation might exist. However, many proteins involved in the mechanism of fragmentation remain unknown. My thesis project was to establish an in vitro assay for membrane fragmentation in order to create a tool to study the mechanism of this process. I chose vacuoles as a model organelle for several reasons: first of all, vacuoles fragment under physiological conditions during cell cycle, secondly their size makes their morphology easily visible under the light microscope, and finally vacuoles can be isolated in good amounts with relatively high degrees of purity. In vivo, vacuole fragmentation can be induced with an osmotic shock. Such a simple assay facilitates the identification of new proteins involved in the process. I used this tool to screen of the entire knockout collection of non-essential genes in Saccharomyces cerevisiae for mutants defective in vacuole fragmentation. The in vitro system will be useful to characterize the mutants and to study the mechanism of fragmentation in detail. I used my in vitro assay to confirm the involvement of vacuolar SNARE proteins in fragmentation of the organelle and to uncover that number and size of vacuoles in the cell is regulated by the TORC1 complex via selective stimulation of fragmentation activity.

Targeted Gene Deletion and In Vivo Analysis of Putative Virulence Gene Function in the Pathogenic Dermatophyte Arthroderma benhamiae.

Dermatophytes cause the majority of superficial mycoses in humans and animals. However, little is known about the pathogenicity of this specialized group of filamentous fungi, for which molecular research has been limited thus far. During experimental infection of guinea pigs by the human pathogenic dermatophyte Arthroderma benhamiae, we recently detected the activation of the fungal gene encoding malate synthase AcuE, a key enzyme of the glyoxylate cycle. By the establishment of the first genetic system for A. benhamiae, specific ΔacuE mutants were constructed in a wild-type strain and, in addition, in a derivative in which we inactivated the nonhomologous end-joining pathway by deletion of the A. benhamiae KU70 gene. The absence of AbenKU70 resulted in an increased frequency of the targeted insertion of linear DNA by homologous recombination, without notably altering the monitored in vitro growth abilities of the fungus or its virulence in a guinea pig infection model. Phenotypic analyses of ΔacuE mutants and complemented strains depicted that malate synthase is required for the growth of A. benhamiae on lipids, major constituents of the skin. However, mutant analysis did not reveal a pathogenic role of the A. benhamiae enzyme in guinea pig dermatophytosis or during epidermal invasion of the fungus in an in vitro model of reconstituted human epidermis. The presented efficient system for targeted genetic manipulation in A. benhamiae, paired with the analyzed infection models, will advance the functional characterization of putative virulence determinants in medically important dermatophytes.

Mutations in the heparan-sulfate proteoglycan glypican 6 (GPC6) impair endochondral ossification and cause recessive omodysplasia.

Glypicans are a family of glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored, membrane-bound heparan sulfate (HS) proteoglycans. Their biological roles are only partly understood, although it is assumed that they modulate the activity of HS-binding growth factors. The involvement of glypicans in developmental morphogenesis and growth regulation has been highlighted by Drosophila mutants and by a human overgrowth syndrome with multiple malformations caused by glypican 3 mutations (Simpson-Golabi-Behmel syndrome). We now report that autosomal-recessive omodysplasia, a genetic condition characterized by short-limbed short stature, craniofacial dysmorphism, and variable developmental delay, maps to chromosome 13 (13q31.1-q32.2) and is caused by point mutations or by larger genomic rearrangements in glypican 6 (GPC6). All mutations cause truncation of the GPC6 protein and abolish both the HS-binding site and the GPI-bearing membrane-associated domain, and thus loss of function is predicted. Expression studies in microdissected mouse growth plate revealed expression of Gpc6 in proliferative chondrocytes. Thus, GPC6 seems to have a previously unsuspected role in endochondral ossification and skeletal growth, and its functional abrogation results in a short-limb phenotype.

Effects of KRAS, BRAF, NRAS, and PIK3CA mutations on the efficacy of cetuximab plus chemotherapy in chemotherapy-refractory metastatic colorectal cancer: a retrospective consortium analysis.

Background Following the discovery that mutant KRAS is associated with resistance to anti-epidermal growth factor receptor (EGFR) antibodies, the tumours of patients with metastatic colorectal cancer are now profiled for seven KRAS mutations before receiving cetuximab or panitumumab. However, most patients with KRAS wild-type tumours still do not respond. We studied the effect of other downstream mutations on the efficacy of cetuximab in, to our knowledge, the largest cohort to date of patients with chemotherapy-refractory metastatic colorectal cancer treated with cetuximab plus chemotherapy in the pre-KRAS selection era. Methods 1022 tumour DNA samples (73 from fresh-frozen and 949 from formalin-fixed, paraffin-embedded tissue) from patients treated with cetuximab between 2001 and 2008 were gathered from 11 centres in seven European countries. 773 primary tumour samples had sufficient quality DNA and were included in mutation frequency analyses; mass spectrometry genotyping of tumour samples for KRAS, BRAF, NRAS, and PIK3CA was done centrally. We analysed objective response, progression-free survival (PFS), and overall survival in molecularly defined subgroups of the 649 chemotherapy-refractory patients treated with cetuximab plus chemotherapy. Findings 40.0% (299/747) of the tumours harboured a KRAS mutation, 14.5% (108/743) harboured a PIK3CA mutation (of which 68.5% [74/108] were located in exon 9 and 20.4% [22/108] in exon 20), 4.7% (36/761) harboured a BRAF mutation, and 2.6% (17/644) harboured an NRAS mutation. KRAS mutants did not derive benefit compared with wild types, with a response rate of 6.7% (17/253) versus 35.8% (126/352; odds ratio [OR] 0.13, 95% CI 0.07-0.22; p<0.0001), a median PFS of 12. weeks versus 24 weeks (hazard ratio [HR] 1 98, 1.66-2.36; p<0.0001), and a median overall survival of 32 weeks versus 50 weeks (1.75, 1.47-2.09; p<0.0001). In KRAS wild types, carriers of BRAF and NRAS mutations had a significantly lower response rate than did BRAF and NRAS wild types, with a response rate of 8.3% (2/24) in carriers of BRAF mutations versus 38.0% in BRAF wild types (124/326; OR 0.15, 95% CI 0.02-0.51; p=0.0012); and 7.7% (1/13) in carriers of NRAS mutations versus 38.1% in NRAS wild types (110/289; OR 0.14, 0.007-0.70; p=0.013). PIK3CA exon 9 mutations had no effect, whereas exon 20 mutations were associated with a worse outcome compared with wild types, with a response rate of 0.0% (0/9) versus 36.8% (121/329; OR 0.00,0.00-0.89; p=0.029), a median PFS of 11.5 weeks versus 24 weeks (HR 2.52, 1.33-4.78; p=0.013), and a median overall survival of 34 weeks versus 51 weeks (3.29, 1.60-6.74; p=0.0057). Multivariate analysis and conditional inference trees confirmed that, if KRAS is not mutated, assessing BRAF, NRAS, and PIK3CA exon 20 mutations (in that order) gives additional information about outcome. Objective response rates in our series were 24.4% in the unselected population, 36.3% in the KRAS wild-type selected population, and 41.2% in the KRAS, BRAF, NRAS, and PIK3CA exon 20 wild-type population. Interpretation While confirming the negative effect of KRAS mutations on outcome after cetuximab, we show that BRAF, NRAS, and PIK3CA,exon 20 mutations are significantly associated with a low response rate. Objective response rates could be improved by additional genotyping of BRAF, NRAS, and PIK3CA exon 20 mutations in a KRAS wild-type population.

A regulatory network for coordinated flower maturation.

For self-pollinating plants to reproduce, male and female organ development must be coordinated as flowers mature. The Arabidopsis transcription factors AUXIN RESPONSE FACTOR 6 (ARF6) and ARF8 regulate this complex process by promoting petal expansion, stamen filament elongation, anther dehiscence, and gynoecium maturation, thereby ensuring that pollen released from the anthers is deposited on the stigma of a receptive gynoecium. ARF6 and ARF8 induce jasmonate production, which in turn triggers expression of MYB21 and MYB24, encoding R2R3 MYB transcription factors that promote petal and stamen growth. To understand the dynamics of this flower maturation regulatory network, we have characterized morphological, chemical, and global gene expression phenotypes of arf, myb, and jasmonate pathway mutant flowers. We found that MYB21 and MYB24 promoted not only petal and stamen development but also gynoecium growth. As well as regulating reproductive competence, both the ARF and MYB factors promoted nectary development or function and volatile sesquiterpene production, which may attract insect pollinators and/or repel pathogens. Mutants lacking jasmonate synthesis or response had decreased MYB21 expression and stamen and petal growth at the stage when flowers normally open, but had increased MYB21 expression in petals of older flowers, resulting in renewed and persistent petal expansion at later stages. Both auxin response and jasmonate synthesis promoted positive feedbacks that may ensure rapid petal and stamen growth as flowers open. MYB21 also fed back negatively on expression of jasmonate biosynthesis pathway genes to decrease flower jasmonate level, which correlated with termination of growth after flowers have opened. These dynamic feedbacks may promote timely, coordinated, and transient growth of flower organs.