Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

A quorum sensing small volatile molecule promotes antibiotic tolerance in bacteria.

Bacteria can be refractory to antibiotics due to a sub-population of dormant cells, called persisters that are highly tolerant to antibiotic exposure. The low frequency and transience of the antibiotic tolerant "persister" trait has complicated elucidation of the mechanism that controls antibiotic tolerance. In this study, we show that 2' Amino-acetophenone (2-AA), a poorly studied but diagnostically important small, volatile molecule produced by the recalcitrant gram-negative human pathogen Pseudomonas aeruginosa, promotes antibiotic tolerance in response to quorum-sensing (QS) signaling. Our results show that 2-AA mediated persister cell accumulation occurs via alteration of the expression of genes involved in the translational capacity of the cell, including almost all ribosomal protein genes and other translation-related factors. That 2-AA promotes persisters formation also in other emerging multi-drug resistant pathogens, including the non 2-AA producer Acinetobacter baumannii implies that 2-AA may play an important role in the ability of gram-negative bacteria to tolerate antibiotic treatments in polymicrobial infections. Given that the synthesis, excretion and uptake of QS small molecules is a common hallmark of prokaryotes, together with the fact that the translational machinery is highly conserved, we posit that modulation of the translational capacity of the cell via QS molecules, may be a general, widely distributed mechanism that promotes antibiotic tolerance among prokaryotes.

24 Hours in the Life of HIV-1 in a T Cell Line.

HIV-1 infects CD4+ T cells and completes its replication cycle in approximately 24 hours. We employed repeated measurements in a standardized cell system and rigorous mathematical modeling to characterize the emergence of the viral replication intermediates and their impact on the cellular transcriptional response with high temporal resolution. We observed 7,991 (73%) of the 10,958 expressed genes to be modulated in concordance with key steps of viral replication. Fifty-two percent of the overall variability in the host transcriptome was explained by linear regression on the viral life cycle. This profound perturbation of cellular physiology was investigated in the light of several regulatory mechanisms, including transcription factors, miRNAs, host-pathogen interaction, and proviral integration. Key features were validated in primary CD4+ T cells, and with viral constructs using alternative entry strategies. We propose a model of early massive cellular shutdown and progressive upregulation of the cellular machinery to complete the viral life cycle.

Sleep loss reduces the DNA-binding of BMAL1, CLOCK, and NPAS2 to specific clock genes in the mouse cerebral cortex.

We have previously demonstrated that clock genes contribute to the homeostatic aspect of sleep regulation. Indeed, mutations in some clock genes modify the markers of sleep homeostasis and an increase in homeostatic sleep drive alters clock gene expression in the forebrain. Here, we investigate a possible mechanism by which sleep deprivation (SD) could alter clock gene expression by quantifying DNA-binding of the core-clock transcription factors CLOCK, NPAS2, and BMAL1 to the cis-regulatory sequences of target clock genes in mice. Using chromatin immunoprecipitation (ChIP), we first showed that, as reported for the liver, DNA-binding of CLOCK and BMAL1 to target clock genes changes in function of time-of-day in the cerebral cortex. Tissue extracts were collected at ZT0 (light onset), -6, -12, and -18, and DNA enrichment of E-box or E'-box containing sequences was measured by qPCR. CLOCK and BMAL1 binding to Cry1, Dbp, Per1, and Per2 depended on time-of-day, with maximum values reached at around ZT6. We then observed that SD, performed between ZT0 and -6, significantly decreased DNA-binding of CLOCK and BMAL1 to Dbp, consistent with the observed decrease in Dbp mRNA levels after SD. The DNA-binding of NPAS2 and BMAL1 to Per2 was also decreased by SD, although SD is known to increase Per2 expression in the cortex. DNA-binding to Per1 and Cry1 was not affected by SD. Our results show that the sleep-wake history can affect the clock molecular machinery directly at the level of chromatin binding thereby altering the cortical expression of Dbp and Per2 and likely other targets. Although the precise dynamics of the relationship between DNA-binding and mRNA expression, especially for Per2, remains elusive, the results also suggest that part of the reported circadian changes in DNA-binding of core clock components in tissues peripheral to the suprachiasmatic nuclei could, in fact, be sleep-wake driven.

Characterization of root apoplastic barriers in Arabidopsis thaliana

In vascular plants, the best-known feature of a differentiated endodermal cell is the "Casparian Strip" (CS). This structure refers to a highly localized cell wall impregnation in the transversal and anticlinal walls of the cell, which surrounds the cell like a belt/ring and is tightly coordinated with respect to neighboring cells. Analogous to tight junctions in animal epithelia, CS in plants act as a diffusion barrier that controls the movement of water and ions from soil into the stele. Since its first description by Robert Caspary in 1865 there have been many attempts to identify the chemical nature of the cell wall deposition in CS. Suberin, lignin, or both have been claimed to be the important components of CS in a series of different species. However, the exact chemical composition of CS has remained enigmatic. This controversy was due to the confusion and lack of knowledge regarding the precise measurement of three developmental stages of the endodermis. The CS represent only the primary stage of endodermal differentiation, which is followed by the deposition of suberin lamellae all around the cellular surface of endodermal cells (secondary developmental stage). Therefore, chemical analysis of whole roots, or even of isolated endodermal tissues, will always find both of the polymers present. It was crucial to clarify this point because this will guide our efforts to understand which cell wall biosynthetic component becomes localized in order to form the CS. The main aim of my work was to find out the major components of (early) CS, as well as their spatial and temporal development, physiological roles and relationship to barrier formation. Employing the knowledge and tools that have been accumulated over the last few years in the model plant Arabidopsis thaliana, various histological and chemical assays were used in this study. A particular feature of my work was to completely degrade, or inhibit formation of lignin and suberin biopolymers by biochemical, classical genetic and molecular approaches and to investigate its effect on CS formation and the establishment of a functional diffusion barrier. Strikingly, interference with monolignol biosynthesis abrogates CS formation and delays the formation of function diffusion barrier. In contrast, transgenic plants devoid of any detectable suberin still develop a functional CS. The combination of all these assays clearly demonstrates that the early CS polymer is made from monolignol (lignin monomers) and is composed of lignin. By contrast, suberin is formed much later as a secondary wall during development of endodermis. These early CS are functionally sufficient to block extracellular diffusion and suberin does not play important role in the establishment of early endodermal diffusion barrier. Moreover, suberin biosynthetic machinery is not present at the time of CS formation. Our study finally concludes the long-standing debate about the chemical nature of CS and opens the door to a new approach in lignin research, specifically for the identification of the components of the CS biosynthetic pathway that mediates the localized deposition of cell walls. I also made some efforts to understand the patterning and differentiation of endodermal passage cells in young roots. In the literature, passage cells are defined as a non- suberized xylem pole associated endodermal cells. Since these cells only contain the CS but not the suberin lamellae, it has been assumed that these cells may offer a continued low-resistance pathway for water and minerals into the stele. Thus far, no genes have been found to be expressed specifically in passage cells. In order to understand the patterning, differentiation, and physiological role of passage it would be crucial to identify some genes that are exclusively expressed in these cells. In order to identify such genes, I first generated fluorescent marker lines of stele-expressed transporters that have been reported to be expressed in the passage cells. My aim was to first highlight the passage cells in a non-specific way. In order to find passage cell specific genes I then adapted a two-component system based on previously published methods for gene expression profiling of individual cell types. This approach will allow us to target only the passage cells and then to study gene expression specifically in this cell type. Taken together, this preparatory work will provide an entry point to understand the formation and role of endodermal passage cells. - Chez les plantes vasculaires, la caractéristique la plus commune des cellules différentiées de l'endoderme est la présence de cadres de Caspary. Cette structure correspond à une imprégnation localisée des parties transversales et anticlinales de la paroi cellulaire. Cela donne naissance, autour de la cellule, à un anneau/cadre qui est coordonné par rapport aux cellules voisines. De manière analogue aux jonctions serrées des épithéliums chez les animaux, les cadres de Caspary agissent chez les plantes comme barrière de diffusion, contrôlant le mouvement de l'eau et des ions à travers la racine entre le sol et la stèle. Depuis leur première description par Robert Caspary en 1865, beaucoup de tentatives ont eu pour but de définir la nature chimique de ces cadres de Caspary. Après l'étude de différentes espèces végétales, à la fois la subérine, la lignine ou les deux ont été revendiquées comme étant des composants importants de ces cadres. Malgré tout, leur nature chimique exacte est restée longtemps énigmatique. Cette controverse provient de la confusion et du manque de connaissance concernant la détermination précise des trois stades de développement de l'endoderme. Les cadres de Caspary représentent uniquement le stade primaire de différentiation de l'endoderme. Celui-ci est suivi par le second stade de différentiation, la déposition de lamelles de subérine tout autour de la cellule endodermal. De ce fait, l'analyse chimique de racines entières ou de cellules d'endoderme isolées ne permet pas de séparer les stades de différentiation primaire et secondaire et aboutit donc à la présence des deux polymères. Il est également crucial de clarifier ce point dans le but de connaître quelle machinerie cellulaire localisée à la paroi cellulaire permet l'élaboration des cadres de Caspary. En utilisant les connaissances et les outils accumulés récemment grâce à la plante modèle Arabidopsis thaliana, divers techniques histologiques et chimiques ont été utilisées dans cette étude. Un point particulier de mon travail a été de dégrader ou d'inhiber complètement la formation de lignine ou de subérine en utilisant des approches de génétique classique ou moléculaire. Le but étant d'observer l'effet de l'absence d'un de ces deux polymères sur la formation des cadres de Caspary et l'établissement d'une barrière de diffusion fonctionnelle. De manière frappante, le fait d'interférer avec la voie de biosynthèse de monolignol (monomères de lignine) abolit la formation des cadres de Caspary et retarde l'élaboration d'une barrière de diffusion fonctionnelle. Par contre, des plantes transgéniques dépourvues d'une quantité détectable de subérine sont quant à elles toujours capables de développer des cadres de Caspary fonctionnels. Mises en commun, ces expériences démontrent que le polymère formant les cadres de Caspary dans la partie jeune de la racine est fait de monolignol, et que de ce fait il s'agit de lignine. La subérine, quant à elle, est formée bien plus tard durant le développement de l'endoderme, de plus il s'agit d'une modification de la paroi secondaire. Ces cadres de Caspary précoces faits de lignine suffisent donc à bloquer la diffusion extracellulaire, contrairement à la subérine. De plus, la machinerie de biosynthèse de la subérine n'est pas encore présente au moment de la formation des cadres de Caspary. Notre étude permet donc de mettre un terme au long débat concernant la nature chimique des cadres de Caspary. De plus, elle ouvre la porte à de nouvelles approches dans la recherche sur la lignine, plus particulièrement pour identifier des composants permettant la déposition localisée de ce polymère dans la paroi cellulaire. J'ai aussi fais des efforts pour mettre en évidence la formation ainsi que le rôle des cellules de passage dans les jeunes racines. Dans la littérature, les cellules de passage sont définies comme de la cellule endodermal faisant face aux pôles xylèmes et dont la paroi n'est pas subérisée. Du fait que ces cellules contiennent uniquement des cadres de Caspary et pas de lamelle de subérine, il a été supposé qu'elles ne devraient offrir que peu de résistance au passage de l'eau et des nutriments entre le sol et la stèle. Le rôle de ces cellules de passage est toujours loin d'être clair, de plus aucun gène s'exprimant spécifiquement dans ces cellules n'a été découvert à ce jour. De manière à identifier de tels gènes, j'ai tout d'abord généré des marqueurs fluorescents pour des transporteurs exprimés dans la stèle mais dont l'expression avait également été signalée dans l'endoderme, uniquement dans les cellules de passage. J'ai ensuite développé un système à deux composants basé sur des méthodes déjà publiées, visant principalement à étudier le profil d'expression génique dans un type cellulaire donné. En recoupant les gènes exprimés spécifiquement dans l'endoderme à ceux exprimés dans la stèle et les cellules de passage, il nous sera possible d'identifier le transriptome spécifique de ces cellules. Pris dans leur ensemble, ces résultats devraient donner un bon point d'entrée dans la définition et la compréhension des cellules de passage.

Analysis of synaptic-like microvesicle exocytosis of B-cells using a live imaging technique.

Pancreatic β-cells play central roles in blood glucose homeostasis. Beside insulin, these cells release neurotransmitters and other signaling molecules stored in synaptic-like microvesicles (SLMVs). We monitored SLMV exocytosis by transfecting a synaptophysin-pHluorin construct and by visualizing the cells by Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy. SLMV fusion was elicited by 20 mM glucose and by depolarizing K(+) concentrations with kinetics comparable to insulin secretion. SLMV exocytosis was prevented by Tetanus and Botulinum-C neurotoxins indicating that the fusion machinery of these organelles includes VAMP-2/-3 and Syntaxin-1, respectively. Sequential visualization of SLMVs by TIRF and epifluorescence microscopy showed that after fusion the vesicle components are rapidly internalized and the organelles re-acidified. Analysis of single fusion episodes revealed the existence of two categories of events. While under basal conditions transient fusion events prevailed, long-lasting episodes were more frequent upon secretagogue exposure. Our observations unveiled similarities between the mechanism of exocytosis of insulin granules and SLMVs. Thus, diabetic conditions characterized by defective insulin secretion are most probably associated also with inappropriate release of molecules stored in SLMVs. The assessment of the contribution of SLMV exocytosis to the manifestation of the disease will be facilitated by the use of the imaging approach described in this study.

'Bio-nano interactions: new tools, insights and impacts': summary of the Royal Society discussion meeting

Bio-nano interactions can be defined as the study of interactions between nanoscale entities and biological systems such as, but not limited to, peptides, proteins, lipids, DNA and other biomolecules, cells and cellular receptors and organisms including humans. Studying bio-nano interactions is particularly useful for understanding engineered materials that have at least one dimension in the nanoscale. Such materials may consist of discrete particles or nanostructured surfaces. Much of biology functions at the nanoscale; therefore, our ability to manipulate materials such that they are taken up at the nanoscale, and engage biological machinery in a designed and purposeful manner, opens new vistas for more efficient diagnostics, therapeutics (treatments) and tissue regeneration, so-called nanomedicine. Additionally, this ability of nanomaterials to interact with and be taken up by cells allows nanomaterials to be used as probes and tools to advance our understanding of cellular functioning. Yet, as a new technology, assessment of the safety of nanomaterials, and the applicability of existing regulatory frameworks for nanomaterials must be investigated in parallel with development of novel applications. The Royal Society meeting 'Bio-nano interactions: new tools, insights and impacts' provided an important platform for open dialogue on the current state of knowledge on these issues, bringing together scientists, industry, regulatory and legal experts to concretize existing discourse in science law and policy. This paper summarizes these discussions and the insights that emerged.

Steroid hormone pulsing drives cyclic gene expression.

Transcriptional cycling of activated glucocorticoid receptor (GR) and ultradian glucocorticoid secretion are well established processes. Ultradian hormone release is now shown to result in pulsatile gene transcription through dynamic exchange of GR with the target-gene promoter and GR cycling through the chaperone machinery.

Azithromycin inhibits expression of the GacA-dependent small RNAs RsmY and RsmZ in Pseudomonas aeruginosa.

Azithromycin at clinically relevant doses does not inhibit planktonic growth of the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa but causes markedly reduced formation of biofilms and quorum-sensing-regulated extracellular virulence factors. In the Gac/Rsm signal transduction pathway, which acts upstream of the quorum-sensing machinery in P. aeruginosa, the GacA-dependent untranslated small RNAs RsmY and RsmZ are key regulatory elements. As azithromycin treatment and mutational inactivation of gacA have strikingly similar phenotypic consequences, the effect of azithromycin on rsmY and rsmZ expression was investigated. In planktonically growing cells, the antibiotic strongly inhibited the expression of both small RNA genes but did not affect the expression of the housekeeping gene proC. The azithromycin treatment resulted in reduced expression of gacA and rsmA, which are known positive regulators of rsmY and rsmZ, and of the PA0588-PA0584 gene cluster, which was discovered as a novel positive regulatory element involved in rsmY and rsmZ expression. Deletion of this cluster resulted in diminished ability of P. aeruginosa to produce pyocyanin and to swarm. The results of this study indicate that azithromycin inhibits rsmY and rsmZ transcription indirectly by lowering the expression of positive regulators of these small RNA genes.

Genome-wide analysis of SREBP1 activity around the clock reveals its combined dependency on nutrient and circadian signals.

In mammals, the circadian clock allows them to anticipate and adapt physiology around the 24 hours. Conversely, metabolism and food consumption regulate the internal clock, pointing the existence of an intricate relationship between nutrient state and circadian homeostasis that is far from being understood. The Sterol Regulatory Element Binding Protein 1 (SREBP1) is a key regulator of lipid homeostasis. Hepatic SREBP1 function is influenced by the nutrient-response cycle, but also by the circadian machinery. To systematically understand how the interplay of circadian clock and nutrient-driven rhythm regulates SREBP1 activity, we evaluated the genome-wide binding of SREBP1 to its targets throughout the day in C57BL/6 mice. The recruitment of SREBP1 to the DNA showed a highly circadian behaviour, with a maximum during the fed status. However, the temporal expression of SREBP1 targets was not always synchronized with its binding pattern. In particular, different expression phases were observed for SREBP1 target genes depending on their function, suggesting the involvement of other transcription factors in their regulation. Binding sites for Hepatocyte Nuclear Factor 4 (HNF4) were specifically enriched in the close proximity of SREBP1 peaks of genes, whose expression was shifted by about 8 hours with respect to SREBP1 binding. Thus, the cross-talk between hepatic HNF4 and SREBP1 may underlie the expression timing of this subgroup of SREBP1 targets. Interestingly, the proper temporal expression profile of these genes was dramatically changed in Bmal1-/- mice upon time-restricted feeding, for which a rhythmic, but slightly delayed, binding of SREBP1 was maintained. Collectively, our results show that besides the nutrient-driven regulation of SREBP1 nuclear translocation, a second layer of modulation of SREBP1 transcriptional activity, strongly dependent from the circadian clock, exists. This system allows us to fine tune the expression timing of SREBP1 target genes, thus helping to temporally separate the different physiological processes in which these genes are involved.

Negative control of quorum sensing by RpoN (sigma54) in Pseudomonas aeruginosa PAO1.

In Pseudomonas aeruginosa PAO1, the expression of several virulence factors such as elastase, rhamnolipids, and hydrogen cyanide depends on quorum-sensing regulation, which involves the lasRI and rhlRI systems controlled by N-(3-oxododecanoyl)-L-homoserine lactone and N-butyryl-L-homoserine lactone, respectively, as signal molecules. In rpoN mutants lacking the transcription factor sigma(54), the expression of the lasR and lasI genes was elevated at low cell densities, whereas expression of the rhlR and rhlI genes was markedly enhanced throughout growth by comparison with the wild type and the complemented mutant strains. As a consequence, the rpoN mutants had elevated levels of both signal molecules and overexpressed the biosynthetic genes for elastase, rhamnolipids, and hydrogen cyanide. The quorum-sensing regulatory protein QscR was not involved in the negative control exerted by RpoN. By contrast, in an rpoN mutant, the expression of the gacA global regulatory gene was significantly increased during the entire growth cycle, whereas another global regulatory gene, vfr, was downregulated at high cell densities. In conclusion, it appears that GacA levels play an important role, probably indirectly, in the RpoN-dependent modulation of the quorum-sensing machinery of P. aeruginosa.

Enzymatic activity, ultrastructure and function in ganglia infected with a neurotropic virus.

This chapter attempts to answer the questions, how do the viruses reach the neurons, what are the alterations that they impose on the neuronal machinery, and what are the consequences of these alterations on the function of the infected neurons? The virus used for this research was the pseudorabies. Pseudorabies virus is transported from the eye to the superior cervical ganglion by retrograde axonal flow. In the sympathetic neurons, the virus induces an increased protein synthesis and tyrosine 3-monooxygenase activity, a transsynaptic increased activity of the cholineacetyltransferase and a great rise in the acetylcholine content. The virus also causes an abnormal spontaneous electrophysiological activity, which also seems to be of presynaptic origin, despite the fact that the virus never crossed the synaptic cleft.

Biochemical characterization of recombinant human telomerase

Résumé Les télomères sont les structures ADN-protéines des extrémités des chromosomes des eucaryotes. L'ADN télomérique est constitué de courtes séquences répétitives. L'intégrité des télomères est essentielle pour protéger les extrémités des chromosomes contre les systèmes de dégradations et pour les distinguer des cassures de l'ADN double brin. Parce que la machinerie de la réplication de l'ADN n'est pas capable de répliquer l'extrémité des chromosomes, les télomères raccourcissent au fur et à mesure des cycles de réplication. Dès que les télomères atteignent une longueur critique, leur structure protectrice est perdue. Cela induit un signal de dommage de l'ADN et l'arrêt du cycle cellulaire. Pour contrebalancer le raccourcissement des télomères, les cellules qui s'auto régénèrent, dont les cellules de la moelle osseuse, les lymphocytes activés et 80-90% des cellules cancéreuses, expriment la télomérase. C'est une ribonucléoprotéine qui a la capacité de synthétiser des séquences télomériques par transcription inverse d'une courte séquence contenue dans sa propre sous-unité ARN avec laquelle elle est associée. La télomérase humaine est une enzyme processive au niveau de l'addition des nucléotides et aussi des répétitions télomériques. La télomérase de levure et la télomérase humaine sont toutes deux dimériques et il a été montré que la télomérase humaine recombinante contient deux ARN qui coopèrent pour fonctionner ainsi que deux sous-unités catalytiques. Cependant, il n'a pas encore été montré quel est le rôle de la dimérisation dans l'activité de la télomérase. Afin d'élucider ce rôle, nous avons exprimé, reconstitué et purifié la télomérase humaine dimérique recombinante. Et pour étudier l'effet d'ARN mutants sur l'activité de la télomérase, nous avons développé une méthode pour reconstituer et enrichir en hétérodimères de télomérase. Les hétérodimères contiennent une sous-unité ARN sauvage et une sous-unité ARN mutée au niveau de la séquence de la matrice. Sur l'ARN muté nous avons introduit une étiquette aptamer ARN-S1 puis nous avons purifié la télomérase via l'etiquette Si. Nous avons montré que la dimérisation est essentielle pour l'activité de la télomérase. Nos données indiquent que chaque télomérase du dimère allonge leur substrat, l'ADN télomérique, indépendamment l'une de l'autre à chaque cycle d'élongation mais que l'addition itérative de répétitions télomériques nécessite une coopération entre les deux télomérases du dimère. Nous proposons donc un modèle dans lequel les deux télomérases du dimères se lient et allongent deux substrats télomères et que pendant l'élongation processive les deux enzymes subissent un changement de conformation de manière coordonnée, ce changement va permettre le repositionnement des substrats pour d'autres cycles d'additions de répétitions télomériques. Dyskeratosis congenita est une maladie mortelle due majoritairement au disfonctionnement de la moelle osseuse. Dans la forme autosomale de la maladie, l'ARN de la télomérase contient des mutations. En utilisant notre système de reconstitution, nous avons montré que ces ARN mutés, qui ont perdu leur activité enzymatique dans le cas d'un homodimère de mutants, sont dominant négatifs quand ils sont présents dans les hétérodimères sauvage/mutant. Cet effet trans-dominant négatif pourrait contribuer à la progression de la maladie. Abstract Telomeres are protein-DNA structures at the ends of linear eukaryotic chromosomes. The telomeric DNA consists of tandemly repeated sequences. Telomeric integrity is essential to protect chromosomal ends from nucleolytic degradation and to prevent their recognition as DNA double strand breaks. Due to the inability of the conventional DNA replication machinery to replicate terminal DNA stretches, telomeres shorten with continuous rounds of DNA replication. As soon as telomeres reach a critical length, their protective structure is lost and the deprotected telomeres will induce a DNA damage response leading to cell cycle arrest. To counteract telomere shortening, self-renewing cells, including bone marrow cells, activated lymphocytes and 80-90% of cancer cells express the cellular reverse transcriptase telomerase, which has the capacity to synthesize telomeric repeats by reverse transcription of a short template sequence encoded by its stably associated RNA subunit. Human telomerase is a processive enzyme for nucleotide as well as repeat addition. Both yeast and human telomerase are dimeric enzymes and recombinant human telomerase has been shown to contain two functionally cooperating RNAs and most probably also two protein subunits. However, it has remained unclear how dimerization may contribute to telomerase activity. To study the role of dimerization, we expressed, reconstituted and purified recombinant human telomerase. We also developed a new method to reconstitute and enrich for telomerase heterodimers containing wild-type (wt) and mutant telomerase RNA subunits. To this end we introduced an S1-RNA-aptamer tag into telomerase RNA and purified telomerase reconstituted with a mixture of untagged and tagged RNA via the S1-tag. Using this experimental system, we introduced template mutations in the tagged RNA subunit and examined the effect of mutant RNAs on wt telomerase activity in wt/mutant heterodimers. We obtained evidence that dimerization is essential for telomerase activity. Our data indicate that the two subunits elongate telomere substrates independently of each other during single rounds of elongation, but that iterative addition of telomeric repeats requires cooperation between the two subunits. We suggest a model, in which dimeric telomerases bind and elongate two telomere substrates and that the two subunits undergo coordinated conformational changes during processive elongation that enable repositioning the substrates for subsequent rounds of repeat addition. Dyskeratosis congenita is a multisystemic disease with bone marrow failure as the major cause of death. The autosomal form of this disease was found to harbor mutations in the telomerase RNA. Using our reconstitution system, we tested whether mutant dyskeratosis telomerase RNAs behaved in a dominant negative manner. We observed that dyskeratosis telomerase RNA mutants, which lacked enzymatic activity were dominant negative, when present in wt/ mutant heterodimers. The transdominant negative effect of these mutants may contribute to disease progression.

Methicillin-resistant Staphylococcus aureus resensitization by protein synthesis inhibitors : proposal for a mechanism

RESUME Staphylococcus aureus est un important pathogène à gram-positif, à la fois responsable d'infections nosocomiales et communautaires. Le S. aureus résistant à la méthicilline est intrinsèquement résistant aux bêta-lactamines, inhibiteurs de la synthèse de la paroi bactérienne, grâce à une enzyme nouvellement acquise, la protéine liant la pénicilline 2A, caractérisée par une faible affinité pour ces agents et pouvant poursuivre la synthèse de la paroi, alors que les autres enzymes sont bloquées. Ce micro-organisme a également développé des résistances contre quasiment tous les antibiotiques couramment utilisés en clinique. Parallèlement au développement de molécules entièrement nouvelles, il peut être utile d'explorer d'éventuelles caractéristiques inattendues de médicaments déjà existants, par exemple en les combinant, dans l'espoir d'un potentiel effet synergique. Comprendre les mécanismes de tels effets synergiques pourrait contribuer à la justification de leur utilisation clinique potentielle. Récemment, un effet synergique contre le S. aureus résistant à la méthicilline a été décrit entre la streptogramine quinupristine-datfopristine et les bêta-lactamines, aussi bien in vitro qu'in vivo. Le présent travail a pour but de proposer un modèle pour le mécanisme de cette interaction positive et de l'étendre à d'autres classes d'antibiotiques. Premièrement, un certain nombre de méthodes microbiologiques ont permis de mieux cerner la nature de cette interaction, en montrant qu'elle agissait spécifiquement sur le S. aureus résistant à la méthicilline et qu'elle était restreinte à l'association entre inhibiteurs de la synthèse des protéines et bêta-lactamines. Deuxièmement, L'observation de l'influence des inhibiteurs de la synthèse des protéines sur la machinerie de la paroi bactérienne, c'est-à-dire sur l'expression des protéines liant la pénicilline, responsables de la synthèse du peptidoglycan, a montré une diminution de la quantité de ta protéine liant la pénicilline 2, connue pour posséder une activité de transglycosylation, indispensable au bon fonctionnement de la protéine liant la pénicilline 2A, responsable de la résistance à la méthicilline. Troisièmement, l'analyse fine de la composition du peptidoglycan extrait de bactéries, avant ou après traitement par des inhibiteurs de la synthèse des protéines, a montré des altérations corrélant avec leur capacité à agir en synergie avec les bêta-lactamines contre S. aureus résistant à ta méthicilline. Ces altérations dans les muropeptides pourraient représenter une signature de la diminution de la quantité de la protéine liant la pénicilline 2. Le modèle mécanistique retenu considère que les inhibiteurs de la synthèse des protéines pourraient diminuer l'expression de la protéine Liant la pénicilline 2, indispensable à la résistance à la méthiciltine, et que ce déséquilibre dans les enzymes synthétisant la paroi bactérienne pourrait générer une signature dans les muropeptides. SUMMARY Staphylococcus aureus is a major gram-positive pathogen causing both hospital-acquired and community-acquired infections. Methicillin- resistant Staphylococcus aureus is intrinsically resistant to the cell wall inhibitors beta-lactams by virtue of a newly acquired cell-wall-building enzyme, tow-affinity penicillin-binding protein 2A, which can build the wall when other penicillin-binding proteins are blocked. Moreover, the microorganism has developed resistance to virtually all non-experimental antibiotics. In addition of producing entirely new molecules, it is useful to explore unexpected features of existing drugs, for example by using them in combination, expecting drug synergisms. Understanding the mechanisms of such synergisms would help justify their putative clinical utilization. Recently, a synergism between the streptogramin quinupristin-dalfopristin and beta-lactams was reported against methicillin-resistant S. aureus, both in vitro and in vivo. The present work intends to propose a model for the mechanism of this positive interaction and to extend it to other drug classes. First, microbiological experimentation helped better defining the nature of this interaction, restricting it to methicillin-resistant S. aureus, and to the association of protein synthesis inhibitors with beta-lactams. Second, the observation of inhibitors of protein synthesis influence on the cell-wall-building machinery, i.e. on the expression of penicillin-binding proteins responsible for peptidoglycan synthesis, showed a decrease in the amount of penicillin-binding protein 2, known to provide a transglycosylase activity for glycan chain elongation, indispensable for the functionality of the low-affinity penicillin-binding protein 2A responsible for methicillin resistance. Third, the fine analysis of the peptidoglycan composition purified from bacteria before or after treatment with inhibitors of protein synthesis showed alterations that correlated with their ability to synergize with beta-lactams against methicillin-resistant S. aureus. These muropeptide alterations could be the signature of decrease in the amount of penicillin-binding protein 2. The retained mechanistic model is that inhibitors of protein synthesis could decrease the expression of penicillin-binding protein 2, wich is indispensable for methicillin-resistance, and that this imbalance in cell-wall-building enzymes could generate a muropeptide signature.

Targeting essential pathways in trypanosomatids gives insights into protozoan mechanisms of cell death.

Apoptosis is a normal component of the development and health of multicellular organisms. However, apoptosis is now considered a prerogative of unicellular organisms, including the trypanosomatids of the genera Trypanosoma spp. and Leishmania spp., causative agents of some of the most important neglected human diseases. Trypanosomatids show typical hallmarks of apoptosis, although they lack some of the key molecules contributing to this process in metazoans, like caspase genes, Bcl-2 family genes and the TNF-related family of receptors. Despite the lack of these molecules, trypanosomatids appear to have the basic machinery to commit suicide. The components of the apoptotic execution machinery of these parasites are slowly coming into light, by targeting essential processes and pathways with different apoptogenic agents and inhibitors. This review will be confined to the events known to drive trypanosomatid parasites to apoptosis.