Characterization and functional identification of a novel plant extradiol 4,5-dioxygenase involved in betalain pigment biosynthesis in Portulaca Grandiflora

RESUME Les bétalaïnes sont des pigments chromo-alcaloïdes violets et jaunes présents dans les plantes appartenant à l'ordre des Caryophyllales et dans les champignons des genres Amanita et Hygrocybe. Leur courte voie de biosynthèse est élucidée chimiquement depuis de nombreuses années, mais les enzymes impliquées dans cette biosynthèse chez les plantes ne sont toujours pas caractérisées. L'enzyme de la DOPA-dioxygénase d' Amanita muscaria a été identifiée (Girod et Zryd, 1991a), mais de nombreuses tentatives d'isolation d'un homologue chez les plantes ont échoué. Afin d'isoler les gènes spécifiques des bétalaïnes chez les plantes, nous avons construit des banques soustraites d'ADNc à partir d'ARN total de pétales immatures de Portulaca grandiflora (Pg) de génotypes jaunes et blancs, respectivement violets et blancs. Les clones couleur- spécifiques ont été détectés en premier par analyse Northem du RNA de pétales blancs et colorés. Les candidats positifs ont alors été soumis à une analyse de transcription au niveau des tiges colorées, vertes et des feuilles, afin d'établir leur expression spécifique. Deux ARNs messagers complets ont une expression corrélée avec l'accumulation des bétalaïnes dans les tissus. Le premier de ces clones, A.16, code pour une oxydase de l'acyl-Coenzyme A (ACX) putative, mais le domaine de liaison du FAD essentiel pour l'activité d'ACX est absent. Toutes nos tentatives pour démontrer sa fonction ont échoué. Le rôle de cette protéine dans la voie de synthèse des bétalaïnes reste inconnu. Le deuxième de ces clones spécifique aux bétalaïnes, L.6 (isolé par Zaiko, 2000), a été renommé DODA en raison de son homologie avec le domaine LigB (pfam02900) d'une 4,5-dioxygénase extradiol bactérienne. DODA a été identifié in silico comme une dioxygénase extradiol en raison de la conservation stricte, au niveau de sa séquence peptidique, des résidus catalytiques de LigB et de ceux liant le cofacteur fer. Une analyse de transfert Southem a montré que ce gène est unique dans Pg. L'expression transitoire de DODA par transformation biolistique dans des pétales blancs de Pg a produit des taches violettes ou jaunes dans des cellules transformées. Une analyse HPLC de ces taches a démontré leur identité avec les bétalaïnes présentes naturellement dans les pétales violets et jaunes de Pg, confirmant ainsi la complémentation par le gène Pg DODA de l'allèle récessif cc présent dans les pétales blancs de Pg. Des homologues de DODA (DOPA-dioxygénase) ont été identifiés dans de nombreuses espèces de plantes, y compris dans celles sans bétalaïne. L'alignement de ces homologues a permis l'identification d'un motif spécifique aux bétalaïnes à côté d'une histidine catalytique conservée. Ce motif [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] remplace le motif [H-N-L-R] conservé dans les plantes sans bétalaïne et le motif [H-N-L-x] présent dans tous les homologues bactériens et archaebactériens. Une modélisation tridimensionnelle préliminaire du site actif de Pg DODA et de son homologue dans la mousse Physcomitrella patens a montré l'importance de ce motif spécifique aux bétalaïnes pour l'accessibilité du substrat au site actif. L'analyse phylogénétique de DODA a confirmé l'évolution séparée de cette protéine chez les plantes à bétalaïnes par comparaison avec celle des plantes sans bétalaïne. Nous avons donc conclu que les bétalaïnes sont apparues par modification de l'affinité pour un substrat d'enzymes similaires à DODA, chez un ancêtre unique des Caryophyllales qui a perdu toute capacité de biosynthèse des anthocyanes. Finalement, Pg DODA n'a aucune similarité avec la protéine DODA d' Amanita muscaria, bien que celle-ci complémente aussi la pigmentation des pétales blancs de Pg. La biosynthèse des bétalaïnes est un exemple remarquable de convergence évolutive biochimique indépendante entre espèces de règnes différents. ABSTRACT Betalains are violet and yellow chromo-alkaloid pigments present in plants belonging to the order Caryophyllales and also in the fungal genera Amanita and Hygrocybe. Their short biosynthetic pathway is chemically well understood since many years, but enzymes involved in the plant pathway are still uncharacterized. The DOPA-dioxygenase from Amanita muscaria was identified (Girod and Zryd, 1991a), but numerous attempts to identify a plant homologue to the corresponding gene, failed. In order to isolate betalain-specific genes in plants, subtractive cDNA libraries were built with total RNA from white and yellow and respectively, violet immature petals from Portulaca grandiflora (Pg) genotypes. Colour-specific clones were first detected by Northern blot analysis using RNA from white and coloured petals. Positive candidates were submitted to further transcription analysis in coloured, green stems and leaves in order to assess their specific expression. Two full-length mRNAs showed a correlated expression with betalain accumulation in tissues. One of them, A.16, encodes a putative acyl-Coenzyme A oxidase (ACX), but missing the FAD binding domain essential for the ACX activity. Thus, all attempts to demonstrate its function failed. The role of this protein in the betalain biosynthesis pathway, if any, is still unknown. The second betalain-specific mRNA, L.6 (isolated by Zaiko, 2000) shows a homology with a LigB domain (pfam02900) from a bacterial extradiol 4,5-dioxygenase. It was then renamed DODA (DOPA-dioxygenase). DODA was identified in silico as a highly conserved extradiol dioxygenase due to the strict conservation of its peptidic sequence with LigB catalytic residues and iron-binding cofactor residues. Southern blot analysis showed that this gene is a single copy-gene in Pg. Transient expression of DODA protein through biolistic transformation of Pg white petals produced violet or yellow spots in individual cells. HPLC analysis of these spots showed an identity with betalain pigments present naturally in yellow and violet Pg petals, thus confirming the complementation of the recessive cc allele present in Pg white petals by Pg DODA gene. DODA homologues were identified in numerous plant species including those without betalain. Alignment of these homologues allowed the identification of a betalain-specific pattern beside a highly conserved catalytic histidine. This [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] pattern replaces a [H-N-L-R] pattern strictly conserved in non-betalain plants and a [H-N-L-x] pattern present in all bacterial and archaebacterial homologues. Preliminary three-dimensional modeling of the active site of Pg DODA and its Physcomitrella patens moss homologue revealed the importance of this betalain-specific pattern for the substrate accessibility to the DODA active site. DODA phylogenetic analysis confirmed the separate evolution of this protein in betalain-producing plants. We conclude that betalain pigments appeared in a unique ancestor of the Caryophyllales order in which anthocyanin biosynthetic pathway was impaired, by a modification of enzymes of the DODA family for substrate affinity. The Pg DODA protein has no sequence similarity with Amanita muscaria DODA, despite the fact that they both complement Pg white petals for their pigmentation. Betalain biosynthesis is an interesting example of independent biochemical evolutionary convergence between species from different kingdoms.

Identification and mutational analyses of phosphorylation sites of the calcineurin-binding protein CbpA and the identification of domains required for calcineurin binding in Aspergillus fumigatus.

Calcineurin is a key protein phosphatase required for hyphal growth and virulence in Aspergillus fumigatus, making it an attractive antifungal target. However, currently available calcineurin inhibitors, FK506 and cyclosporine A, are immunosuppressive, limiting usage in the treatment of patients with invasive aspergillosis. Therefore, the identification of endogenous inhibitors of calcineurin belonging to the calcipressin family is an important parallel strategy. We previously identified the gene cbpA as the A. fumigatus calcipressin member and showed its involvement in hyphal growth and calcium homeostasis. However, the mechanism of its activation/inhibition through phosphorylation and its interaction with calcineurin remains unknown. Here we show that A. fumigatus CbpA is phosphorylated at three distinct domains, including the conserved SP repeat motif (phosphorylated domain-I; PD-I), a filamentous fungal-specific domain (PD-II), and the C-terminal CIC motif (Calcipressin Inhibitor of Calcineurin; PD-III). While mutation of three phosphorylated residues (Ser208, Ser217, Ser223) in the PD-II did not affect CbpA function in vivo, mutation of the two phosphorylated serines (Ser156, Ser160) in the SP repeat motif caused reduced hyphal growth and sensitivity to oxidative stress. Mutational analysis in the key domains in calcineurin A (CnaA) and proteomic interaction studies confirmed the requirement of PxIxIT motif-binding residues (352-NIR-354) and the calcineurin B (CnaB)-binding helix residue (V371) for the binding of CbpA to CnaA. Additionally, while the calmodulin-binding residues (442-RVF-444) did not affect CbpA binding to CnaA, three mutations (T359P, H361L, and L365S) clustered between the CnaA catalytic and the CnaB-binding helix were also required for CbpA binding. This is the first study to analyze the phosphorylation status of calcipressin in filamentous fungi and identify the domains required for binding to calcineurin.

Fingerprint identification: advances since the 2009 National Research Council report

"This paper will discuss the major developments in the area of fingerprint" "identification that followed the publication of the National Research Council (NRC, of the US National Academies of Sciences) report in 2009 entitled: Strengthening Forensic Science in the United States: A Path Forward. The report portrayed an image of a field of expertise used for decades without the necessary scientific research-based underpinning. The advances since the report and the needs in selected areas of fingerprinting will be detailed. It includes the measurement of the accuracy, reliability, repeatability and reproducibility of the conclusions offered by fingerprint experts. The paper will also pay attention to the development of statistical models allow- ing assessment of fingerprint comparisons. As a corollary of these developments, the next challenge is to reconcile a traditional practice domi- nated by deterministic conclusions with the probabilistic logic of any statistical model. There is a call for greater candour and fingerprint experts will need to communicate differently on the strengths and limitations of their findings. Their testimony will have to go beyond the blunt assertion" "of the uniqueness of fingerprints or the opinion delivered ispe dixit."

Identification of potential HIV restriction factors by combining evolutionary genomic signatures with functional analyses.

BACKGROUND: Known antiretroviral restriction factors are encoded by genes that are under positive selection pressure, induced during HIV-1 infection, up-regulated by interferons, and/or interact with viral proteins. To identify potential novel restriction factors, we performed genome-wide scans for human genes sharing molecular and evolutionary signatures of known restriction factors and tested the anti-HIV-1 activity of the most promising candidates. RESULTS: Our analyses identified 30 human genes that share characteristics of known restriction factors. Functional analyses of 27 of these candidates showed that over-expression of a strikingly high proportion of them significantly inhibited HIV-1 without causing cytotoxic effects. Five factors (APOL1, APOL6, CD164, TNFRSF10A, TNFRSF10D) suppressed infectious HIV-1 production in transfected 293T cells by >90% and six additional candidates (FCGR3A, CD3E, OAS1, GBP5, SPN, IFI16) achieved this when the virus was lacking intact accessory vpr, vpu and nef genes. Unexpectedly, over-expression of two factors (IL1A, SP110) significantly increased infectious HIV-1 production. Mechanistic studies suggest that the newly identified potential restriction factors act at different steps of the viral replication cycle, including proviral transcription and production of viral proteins. Finally, we confirmed that mRNA expression of most of these candidate restriction factors in primary CD4+ T cells is significantly increased by type I interferons. CONCLUSIONS: A limited number of human genes share multiple characteristics of genes encoding for known restriction factors. Most of them display anti-retroviral activity in transient transfection assays and are expressed in primary CD4+ T cells.

3B.01: Performance of targeted screening for the identification of hypertension in children

OBJECTIVE: As universal screening of hypertension performs poorly in childhood, targeted screening to children at higher risk of hypertension has been proposed. Our goal was to assess the performance of combined parental history of hypertension and overweight/obesity to identify children with hypertension. We estimated the sensitivity, specificity, negative and positive predictive values of overweight/obesity and parental history of hypertension for the identification of hypertension in children. DESIGN AND METHOD: We analyzed data from a school-based cross-sectional study including 5207 children aged 10 to 14 years from all public 6th grade classes in the canton of Vaud, Switzerland. Blood pressure was measured with a clinically validated oscillometric automated device over up to three visits separated by one week. Children had hypertension if they had sustained elevated blood pressure over the three visits. Parents were interviewed about their history of hypertension. RESULTS: The prevalence of hypertension was 2.2%. 14% of children were overweight or obese and 20% had a positive history of hypertension in either or both parents. 30% of children had either or both conditions. After accounting for several potential confounding factors, parental history of hypertension (odds ratio (OR): 2.6; 95% confidence interval (CI): 1.8-4.0), overweight excluding obesity (OR: 2.5; 95% CI: 1.5-4.2) and obesity (OR: 10.1; 95% CI: 6.0-17.0) were associated with hypertension in children. Considered in isolation, the sensitivity and positive predictive values of parental history of hypertension (respectively 41% and 5%) or overweight/obesity (respectively 43% and 7%) were relatively low. Nevertheless, considered together, the sensitivity of targeted screening in children with either overweight/obesity or paternal history of hypertension was higher (65%) but the positive predictive value remained low (5%). The negative predictive value was systematically high. CONCLUSIONS: Restricting screening of hypertension to children with either overweight/obesity or with hypertensive parents would substantially limit the proportion of children to screen (30%) and allow the identification of a relatively large proportion (65%) of hypertensive cases. That could be a valuable alternative to universal screening.

Rapid optimization of drug combinations for the optimal angiostatic treatment of cancer.

Drug combinations can improve angiostatic cancer treatment efficacy and enable the reduction of side effects and drug resistance. Combining drugs is non-trivial due to the high number of possibilities. We applied a feedback system control (FSC) technique with a population-based stochastic search algorithm to navigate through the large parametric space of nine angiostatic drugs at four concentrations to identify optimal low-dose drug combinations. This implied an iterative approach of in vitro testing of endothelial cell viability and algorithm-based analysis. The optimal synergistic drug combination, containing erlotinib, BEZ-235 and RAPTA-C, was reached in a small number of iterations. Final drug combinations showed enhanced endothelial cell specificity and synergistically inhibited proliferation (p < 0.001), but not migration of endothelial cells, and forced enhanced numbers of endothelial cells to undergo apoptosis (p < 0.01). Successful translation of this drug combination was achieved in two preclinical in vivo tumor models. Tumor growth was inhibited synergistically and significantly (p < 0.05 and p < 0.01, respectively) using reduced drug doses as compared to optimal single-drug concentrations. At the applied conditions, single-drug monotherapies had no or negligible activity in these models. We suggest that FSC can be used for rapid identification of effective, reduced dose, multi-drug combinations for the treatment of cancer and other diseases.

Identification of Rare High-Avidity, Tumor-Reactive CD8+ T Cells by Monomeric TCR-Ligand Off-Rates Measurements on Living Cells.

The avidity of the T-cell receptor (TCR) for antigenic peptides presented by the peptide-MHC (pMHC) on cells is a key parameter for cell-mediated immunity. Yet a fundamental feature of most tumor antigen-specific CD8(+) T cells is that this avidity is low. In this study, we addressed the need to identify and select tumor-specific CD8(+) T cells of highest avidity, which are of the greatest interest for adoptive cell therapy in patients with cancer. To identify these rare cells, we developed a peptide-MHC multimer technology, which uses reversible Ni(2+)-nitrilotriacetic acid histidine tags (NTAmers). NTAmers are highly stable but upon imidazole addition, they decay rapidly to pMHC monomers, allowing flow-cytometric-based measurements of monomeric TCR-pMHC dissociation rates of living CD8(+) T cells on a wide avidity spectrum. We documented strong correlations between NTAmer kinetic results and those obtained by surface plasmon resonance. Using NTAmers that were deficient for CD8 binding to pMHC, we found that CD8 itself stabilized the TCR-pMHC complex, prolonging the dissociation half-life several fold. Notably, our NTAmer technology accurately predicted the function of large panels of tumor-specific T cells that were isolated prospectively from patients with cancer. Overall, our results demonstrated that NTAmers are effective tools to isolate rare high-avidity cytotoxic T cells from patients for use in adoptive therapies for cancer treatment.

Identification of novel HIV restriction factors

To efficiently replicate within mammalian cells, viruses have to manoeuvre through complex host mechanisms, hijacking a network of host proteins to achieve successful propagation. To prevent this invasion, cells have evolved over time to efficiently block the incursing pathogen by direct or indirect targeting. Human immunodeficiency virus (HIV) is a retrovirus of major global public health issue. In the last decade, extensive focus on innate immune proteins has been given, and particularly restriction factors, proteins inhibiting HIV replication by affecting various stages of the viral cycle. Because of the importance of developing new HIV therapies that are associated with reduced side effects and resistances, there is an urge to understand the antiviral response against HIV. Using common features of known restriction factors as a signature to identify new anti-HIV factors, candidates were identified. Particularly multiple members of the apolipoproteins L (APOL) family were found. Cotransfection experiments confirmed very potent inhibitory effects on HIV-1 expression. Further characterization of APOL6, the best candidate, was carried out. APOL6 was not able to inhibit HIV specifically but rather inhibited any gene-encoded DNA that was cotransfected and therefore APOL6 does not classify as a bona fide restriction factor. In addition, we were able to map the activity of APOL6 to the MAD domain and mainly to residue 174. We also found that other members of the family identified in the screen, APOL1 and 3, could have similar mechanism of action as APOL6. Finally, although the complete mechanism of action of APOL6 has yet to be elucidated, it might be blocked during transfections, potentially improving transfection of primary cells. -- Pour se répliquer efficacement dans les cellules de mammifères, les virus doivent manoeuvrer à travers des mécanismes cellulaires complexes et détourner un réseau de protéines de l'hôte. Pour empêcher cette invasion, les gènes de l'hôte ont évolué dans le temps pour cibler efficacement, directement ou indirectement, l'agent pathogène. Le virus de l'immunodéficience humaine (VIH) est un rétrovirus de problème majeur de santé publique mondiale, mais le faible risque de transmission du virus pourrait être expliqué par la présence d'un système antiviral de l'hôte qui, en cas d'échec, conduit à une infection productive. Durant la dernière décennie, il y a eu un intérêt spécial porté sur les protéines immunitaires innées appelé facteurs de restriction présentant des effets inhibiteurs puissants sur la réplication du VIH en affectant différentes étapes du cycle viral. En raison de l'importance de la recherche de nouvelles thérapies anti-VIH associées à des effets secondaires et des résistances réduites comparé aux traitements actuels, il existe un besoin de comprendre la réponse antivirale innée contre le VIH. Basé sur des caractéristiques communes des facteurs de restriction connus, nous avons proposé d'identifier de nouveaux facteurs anti-VIH. Nous avons trouvé une famille de protéines, les apolipoprotéines L (APOL) montrant les effets inhibiteurs très puissants contre l'expression du VIH-1 dans des expériences de co-transfection. Nous avons décidé d'approfondir le rôle de ces protéines dans l'immunité innée et de se concentrer sur le meilleur candidat APOL6. Nous avons en outre établi qu'APOL6 n'a pas d'activité anti-virale spécifique et donc pas classé comme un facteur de bonne foi de restriction. Par ailleurs, APOL6 est capable d'inhiber fortement l'expression de tout Plasmide cotransfecté. En outre, nous avons été en mesure de cartographier l'activité d'APOL6 au domaine MAD et principalement au résidu 174. Nous avons également constaté que d'autres membres de la famille identifiés dans l'étude, APOL1 et 3, pourraient avoir le même mécanisme d'action qu'APOL6. Enfin, bien que le mécanisme d'action complet d'APOL6 reste à être élucidé, il pourrait être d'une importance biotechnologique car il pourrait potentiellement faciliter la transfection de cellules primaires après l'inhibition d'APOL6.

Coexistence des charges professionnelle, familiale et domestique, et d'aide à un aîné fragilisé part son vieillissement chez des membres de la "génération sandwich", relations avec la santé perçue et identification de facteurs protecteurs de la santé : pistes pour développer des interventions infirmières préventives en santé au travail

Les membres de la Génération Sandwich (GS) jouent un rôle pivot dans la société : tout en ayant un emploi, ils s'occupent de leurs enfants ou petits-enfants et offrent de l'aide à leurs parents ou beaux-parents (P/BP) fragilisés par leur vieillissement. Les charges de travail coexistantes générées par ces activités représentent pour leur santé un risque potentiel qui pourrait augmenter. Les connaissances sur la GS et sa santé perçue sont cependant insuffisantes pour que les infirmières de santé au travail développent des interventions préventives basées sur des preuves. La majorité des recherches existantes ont considéré la coexistence des charges comme a priori pathogénique. La plupart des études n'ont examiné l'association que d'une ou de deux de ces trois activités avec la santé. Très peu ont utilisé un cadre théorique infirmier. La présente thèse visait à développer les connaissances sur les membres de la GS et leur santé perçue. Aussi, nous avons adopté une des stratégies existantes pour développer des théories en science infirmière - donc pour développer des connaissances infirmières pour intervenir - décrites par Meleis (2012) : la stratégie « de la Théorie à la Recherche à la Théorie ». Premièrement, un cadre de référence infirmier salutogénique a été construit. Il s'est basé sur le modèle de soins Neuman Systems Model, des concepts issus de la théorie Déséquilibre entre Effort et Récompense de Siegrist et d'une recension intégrative des écrits. Il relie les charges de la GS avec la santé perçue et suggère l'existence de facteurs protégeant la santé. Deuxièmement, un dispositif de recherche descriptif corrélationnel exploratoire a été mis en place pour confronter les deux propositions relationnelles du cadre théorique au monde empirique. Des données ont été récoltées au moyen d'un questionnaire électronique rempli par 826 employés d'une administration publique (âge 45-65 ans). Après examen, 23.5% de l'échantillon appartenait à la GS. La probabilité d'appartenir à la GS augmentait avec l'avancement en âge des P/BP, la co-résidence et la présence d'un enfant dans le ménage ; cependant le sexe n'influençait pas cette probabilité. Les analyses n'ont révélé aucune relation entre la charge totale et la santé physique ou mentale des femmes. Néanmoins, il y avait une relation négative entre cette charge et la santé physique des hommes et une relation négative proche du seuil de significativité, sans toutefois l'atteindre, entre cette charge et leur santé mentale. La nature de ces deux dernières relations était principalement le fait de la charge de travail domestique et familiale. Cinq facteurs identifiés théoriquement ont effectivement protégé la santé de la GS de leurs charges coexistantes : l'absence de sur-engagement dans l'activité professionnelle et une grande latitude décisionnelle dans l'aide aux P/BP ont protégé la santé mentale des femmes ; une grande latitude décisionnelle dans l'activité domestique et familiale a protégé la santé mentale des hommes ; l'absence de sur-engagement dans l'aide aux P/BP et des relations de bonne qualité dans l'activité professionnelle ont protégé la santé physique des hommes. S'appuyant sur ces facteur protecteurs de la santé, cette thèse a proposé des pistes afin de développer des interventions pour la prévention primaire en santé au travail qui soient soucieuses de faire évoluer favorablement les inégalités de genre (gender-transformative). Elles ne concernent pas seulement les membres de la GS et les P/BP, mais aussi les employeurs. Troisièmement, comme les deux propositions relationnelles ont plutôt bien supporté la confrontation avec le monde empirique, cette thèse offre des suggestions pour poursuivre le développement de son cadre théorique et tendre vers la création d'une théorie de moyenne portée en science infirmière.

Observation des comportements agressifs des patients hospitalisés: entre devoir d'identification précoce de l'agressivité, risques de stigmatisation et exigencesthérapeutiques

L'absence d'une définition claire de la dangerosité et de la violence en psychiatrie, ainsi que le constat d'échec général des outils de prédiction ne doivent pas interrompre le développement du management des risques dans l'institution. Nous proposons l' utilisation d' une échelle d'observation des comportements agressifs qui s'inspire largement du modèle de l'OAS (Overt Agression Scale ) développée par Yudofsky et ses collaborateurs. Il s'agit d'améliorer la qualité de l'observation infirmière et, ce faisant, d'utiliser l'OAS comme un médium pluridisciplinaire d'une part, et comme outil de communication avec le patient concerné, d'autre part. Entre banalisation et stigmatisation, nous restons attentifs au besoin de sécurité du personnel soignant et aux risques d'exclusion des patients "dérangeants".