Cdc42 explores the cell periphery for mate selection in fission yeast.

How cells polarize in response to external cues is a fundamental biological problem. For mating, yeast cells orient growth toward the source of a pheromone gradient produced by cells of the opposite mating type. Polarized growth depends on the small GTPase Cdc42, a central eukaryotic polarity regulator that controls signaling, cytoskeleton polarization, and vesicle trafficking. However, the mechanisms of polarity establishment and mate selection in complex cellular environments are poorly understood. Here we show that, in fission yeast, low-level pheromone signaling promotes a novel polarization state, where active Cdc42, its GEF Scd1, and scaffold Scd2 form colocalizing dynamic zones that sample the periphery of the cell. Two direct Cdc42 effectors--actin cables marked by myosin V Myo52 and the exocyst complex labeled by Sec6 and Sec8--also dynamically colocalize with active Cdc42. However, these cells do not grow due to a block in the exocytosis of cell wall synthases Bgs1 and Bgs4. High-level pheromone stabilizes active Cdc42 zones and promotes cell wall synthase exocytosis and polarized growth. However, in the absence of prior low-level pheromone signaling, exploration fails, and cells polarize growth at cell poles by default. Consequently, these cells show altered partner choice, mating preferentially with sister rather than nonsister cells. Thus, Cdc42 exploration serves to orient growth for partner selection. This process may also promote genetic diversification.

Noninvasive imaging of 5-HT3 receptor trafficking in live cells: from biosynthesis to endocytosis.

Sequential stages in the life cycle of the ionotropic 5-HT(3) receptor (5-HT(3)R) were resolved temporally and spatially in live cells by multicolor fluorescence confocal microscopy. The insertion of the enhanced cyan fluorescent protein into the large intracellular loop delivered a fluorescent 5-HT(3)R fully functional in terms of ligand binding specificity and channel activity, which allowed for the first time a complete real-time visualization and documentation of intracellular biogenesis, membrane targeting, and ligand-mediated internalization of a receptor belonging to the ligand-gated ion channel superfamily. Fluorescence signals of newly expressed receptors were detectable in the endoplasmic reticulum about 3 h after transfection onset. At this stage receptor subunits assembled to form active ligand binding sites as demonstrated in situ by binding of a fluorescent 5-HT(3)R-specific antagonist. After novel protein synthesis was chemically blocked, the 5-HT(3) R populations in the endoplasmic reticulum and Golgi cisternae moved virtually quantitatively to the cell surface, indicating efficient receptor folding and assembly. Intracellular 5-HT(3) receptors were trafficking in vesicle-like structures along microtubules to the cell surface at a velocity generally below 1 mum/s and were inserted into the plasma membrane in a characteristic cluster distribution overlapping with actin-rich domains. Internalization of cell surface 5-HT(3) receptors was observed within minutes after exposure to an extracellular agonist. Our orchestrated use of spectrally distinguishable fluorescent labels for the receptor, its cognate ligand, and specific organelle markers can be regarded as a general approach allowing subcellular insights into dynamic processes of membrane receptor trafficking.

Fission yeast: in shape to divide.

How are cell morphogenesis and cell cycle coordinated? The fission yeast is a rod-shaped unicellular organism widely used to study how a cell self-organizes in space and time. Here, we discuss recent advances in understanding how the cell acquires and maintains its regular rod shape and uses it to control cell division. The cellular body plan is established by microtubules, which mark antipodal growth zones and medial division. In turn, cellular dimensions are defined by the small GTPase Cdc42 and downstream regulators of vesicle trafficking. Yeast cells then repetitively use their simple rod shape to orchestrate the position and timing of cell division.

Ultrastructure of the membrane attack complex of complement: detection of the tetramolecular C9-polymerizing complex C5b-8.

The ultrastructure of the membrane attack complex (MAC) of complement had been described as representing a hollow cylinder of defined dimensions that is composed of the proteins C5b, C6, C7, C8, and C9. After the characteristic cylindrical structure was identified as polymerized C9 [poly(C9)], the question arose as to the ultrastructural identity and topology of the C9-polymerizing complex C5b-8. An electron microscopic analysis of isolated MAC revealed an asymmetry of individual complexes with respect to their length. Whereas the length of one boundary (+/- SEM) was always 16 +/- 1 nm, the length of the other varied between 16 and 32 nm. In contrast, poly(C9), formed spontaneously from isolated C9, had a uniform tubule length (+/- SEM) of 16 +/- 1 nm. On examination of MAC-phospholipid vesicle complexes, an elongated structure was detected that was closely associated with the poly(C9) tubule and that extended 16-18 nm beyond the torus of the tubule and 28-30 nm above the membrane surface. The width of this structure varied depending on its two-dimensional projection in the electron microscope. By using biotinyl C5b-6 in the formation of the MAC and avidin-coated colloidal gold particles for the ultrastructural analysis, this heretofore unrecognized subunit of the MAC could be identified as the tetramolecular C5b-8 complex. Identification also was achieved by using anti-C5 Fab-coated colloidal gold particles. A similar elongated structure of 25 nm length (above the surface of the membrane) was observed on single C5b-8-vesicle complexes. It is concluded that the C5b-8 complex, which catalyzes poly(C9) formation, constitutes a structure of discrete morphology that remains as such identifiable in the fully assembled MAC, in which it is closely associated with the poly(C9) tubule.

A new life for an old pump: V-ATPase and neurotransmitter release.

Neurons fire by releasing neurotransmitters via fusion of synaptic vesicles with the plasma membrane. Fusion can be evoked by an incoming signal from a preceding neuron or can occur spontaneously. Synaptic vesicle fusion requires the formation of trans complexes between SNAREs as well as Ca(2+) ions. Wang et al. (2014. J. Cell Biol. http://dx.doi.org/jcb.201312109) now find that the Ca(2+)-binding protein Calmodulin promotes spontaneous release and SNARE complex formation via its interaction with the V0 sector of the V-ATPase.

Fast subplasma membrane Ca2+ transients control exo-endocytosis of synaptic-like microvesicles in astrocytes

Astrocytes are the most abundant glial cell type in the brain. Although not apposite for long-range rapid electrical communication, astrocytes share with neurons the capacity of chemical signaling via Ca(2+)-dependent transmitter exocytosis. Despite this recent finding, little is known about the specific properties of regulated secretion and vesicle recycling in astrocytes. Important differences may exist with the neuronal exocytosis, starting from the fact that stimulus-secretion coupling in astrocytes is voltage independent, mediated by G-protein-coupled receptors and the release of Ca(2+) from internal stores. Elucidating the spatiotemporal properties of astrocytic exo-endocytosis is, therefore, of primary importance for understanding the mode of communication of these cells and their role in brain signaling. We here take advantage of fluorescent tools recently developed for studying recycling of glutamatergic vesicles at synapses (Voglmaier et al., 2006; Balaji and Ryan, 2007); we combine epifluorescence and total internal reflection fluorescence imaging to investigate with unprecedented temporal and spatial resolution, the stimulus-secretion coupling underlying exo-endocytosis of glutamatergic synaptic-like microvesicles (SLMVs) in astrocytes. Our main findings indicate that (1) exo-endocytosis in astrocytes proceeds with a time course on the millisecond time scale (tau(exocytosis) = 0.24 +/- 0.017 s; tau(endocytosis) = 0.26 +/- 0.03 s) and (2) exocytosis is controlled by local Ca(2+) microdomains. We identified submicrometer cytosolic compartments delimited by endoplasmic reticulum tubuli reaching beneath the plasma membrane and containing SLMVs at which fast (time-to-peak, approximately 50 ms) Ca(2+) events occurred in precise spatial-temporal correlation with exocytic fusion events. Overall, the above characteristics of transmitter exocytosis from astrocytes support a role of this process in fast synaptic modulation.

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.

SNARE protein expression in synaptic terminals and astrocytes in the adult hippocampus: a comparative analysis.

Several evidences suggest that astrocytes release small transmitter molecules, peptides, and protein factors via regulated exocytosis, implying that they function as specialized neurosecretory cells. However, very little is known about the molecular and functional properties of regulated secretion in astrocytes in the adult brain. Establishing these properties is central to the understanding of the communication mode(s) of these cells and their role(s) in the control of synaptic functions and of cerebral blood flow. In this study, we have set-up a high-resolution confocal microscopy approach to distinguish protein expression in astrocytic structures and neighboring synaptic terminals in adult brain tissue. This approach was applied to investigate the expression pattern of core SNARE proteins for vesicle fusion in the dentate gyrus and CA1 regions of the mouse hippocampus. Our comparative analysis shows that astrocytes abundantly express, in their cell body and main processes, all three protein partners necessary to form an operational SNARE complex but not in the same isoforms expressed in neighbouring synaptic terminals. Thus, SNAP25 and VAMP2 are absent from astrocytic processes and typically concentrated in terminals, while SNAP23 and VAMP3 have the opposite expression pattern. Syntaxin 1 is present in both synaptic terminals and astrocytes. These data support the view that astrocytes in the adult hippocampus can communicate via regulated exocytosis and also indicates that astrocytic exocytosis may differ in its properties from action potential-dependent exocytosis at neuronal synapses, as it relies on a distinctive set of SNARE proteins.

Parts, places, and perspectives : a theory of spatial relations based an mereotopology and convexity

This thesis suggests to carry on the philosophical work begun in Casati's and Varzi's seminal book Parts and Places, by extending their general reflections on the basic formal structure of spatial representation beyond mereotopology and absolute location to the question of perspectives and perspective-dependent spatial relations. We show how, on the basis of a conceptual analysis of such notions as perspective and direction, a mereotopological theory with convexity can express perspectival spatial relations in a strictly qualitative framework. We start by introducing a particular mereotopological theory, AKGEMT, and argue that it constitutes an adequate core for a theory of spatial relations. Two features of AKGEMT are of particular importance: AKGEMT is an extensional mereotopology, implying that sameness of proper parts is a sufficient and necessary condition for identity, and it allows for (lower- dimensional) boundary elements in its domain of quantification. We then discuss an extension of AKGEMT, AKGEMTS, which results from the addition of a binary segment operator whose interpretation is that of a straight line segment between mereotopological points. Based on existing axiom systems in standard point-set topology, we propose an axiomatic characterisation of the segment operator and show that it is strong enough to sustain complex properties of a convexity predicate and a convex hull operator. We compare our segment-based characterisation of the convex hull to Cohn et al.'s axioms for the convex hull operator, arguing that our notion of convexity is significantly stronger. The discussion of AKGEMTS defines the background theory of spatial representation on which the developments in the second part of this thesis are built. The second part deals with perspectival spatial relations in two-dimensional space, i.e., such relations as those expressed by 'in front of, 'behind', 'to the left/right of, etc., and develops a qualitative formalism for perspectival relations within the framework of AKGEMTS. Two main claims are defended in part 2: That perspectival relations in two-dimensional space are four- place relations of the kind R(x, y, z, w), to be read as x is i?-related to y as z looks at w; and that these four-place structures can be satisfactorily expressed within the qualitative theory AKGEMTS. To defend these two claims, we start by arguing for a unified account of perspectival relations, thus rejecting the traditional distinction between 'relative' and 'intrinsic' perspectival relations. We present a formal theory of perspectival relations in the framework of AKGEMTS, deploying the idea that perspectival relations in two-dimensional space are four-place relations, having a locational and a perspectival part and show how this four-place structure leads to a unified framework of perspectival relations. Finally, we present a philosophical motivation to the idea that perspectival relations are four-place, cashing out the thesis that perspectives are vectorial properties and argue that vectorial properties are relations between spatial entities. Using Fine's notion of "qua objects" for an analysis of points of view, we show at last how our four-place approach to perspectival relations compares to more traditional understandings.

Trial of recombinant follicle-stimulating hormone pretreatment for gnrh-induced fertility in patients with congenital hypogonadotropic hypogonadism.

CONTEXT AND OBJECTIVE: The optimal strategy for inducing fertility in men with congenital hypogonadotropic hypogonadism (CHH) is equivocal. Albeit a biologically plausible approach, pretreatment with recombinant FSH (rFSH) before GnRH/human chorionic gonadotropin administration has not been sufficiently assessed. The objective of the study was to test this method. DESIGN AND SETTING: This was a randomized, open-label treatment protocol at an academic medical center. PATIENTS AND INTERVENTIONS: GnRH-deficient men (CHH) with prepubertal testes (<4 mL), no cryptorchidism, and no prior gonadotropin therapy were randomly assigned to either 24 months of pulsatile GnRH therapy alone (inducing endogenous LH and FSH release) or 4 months of rFSH pretreatment followed by 24 months of GnRH therapy. Patients underwent serial testicular biopsies, ultrasound assessments of testicular volume, serum hormone measurements, and seminal fluid analyses. RESULTS: rFSH treatment increased inhibin B levels into the normal range (from 29 ± 9 to 107 ± 41 pg/mL, P < .05) and doubled testicular volume (from 1.1 ± 0.2 to 2.2 ± 0.3 mL, P < .005). Histological analysis showed proliferation of both Sertoli cells (SCs) and spermatogonia, a decreased SC to germ cell ratio (from 0.74 to 0.35), and SC cytoskeletal rearrangements. With pulsatile GnRH, the groups had similar hormonal responses and exhibited significant testicular growth. All men receiving rFSH pretreatment developed sperm in their ejaculate (7 of 7 vs 4 of 6 in the GnRH-only group) and showed trends toward higher maximal sperm counts. CONCLUSIONS: rFSH pretreatment followed by GnRH is successful in inducing testicular growth and fertility in men with CHH with prepubertal testes. rFSH not only appears to maximize the SC population but also induces morphologic changes, suggesting broader developmental roles.

Advances in our understanding of mammalian sex-biased dispersal.

Sex-biased dispersal is an almost ubiquitous feature of mammalian life history, but the evolutionary causes behind these patterns still require much clarification. A quarter of a century since the publication of seminal papers describing general patterns of sex-biased dispersal in both mammals and birds, we review the advances in our theoretical understanding of the evolutionary causes of sex-biased dispersal, and those in statistical genetics that enable us to test hypotheses and measure dispersal in natural populations. We use mammalian examples to illustrate patterns and proximate causes of sex-biased dispersal, because by far the most data are available and because they exhibit an enormous diversity in terms of dispersal strategy, mating and social systems. Recent studies using molecular markers have helped to confirm that sex-biased dispersal is widespread among mammals and varies widely in direction and intensity, but there is a great need to bridge the gap between genetic information, observational data and theory. A review of mammalian data indicates that the relationship between direction of sex-bias and mating system is not a simple one. The role of social systems emerges as a key factor in determining intensity and direction of dispersal bias, but there is still need for a theoretical framework that can account for the complex interactions between inbreeding avoidance, kin competition and cooperation to explain the impressive diversity of patterns.

Excision of the Staphylococcal Cassette Chromosome mec (SCCmec) and its crucial role in the horizontal transfer of methicillin resistance in staphylococci.

Staphylococcus aureus est un pathogène humain majeur ayant développé des résistances contre la quasi totalité des antibiotiques disponibles, incluant la très importante famille des β- lactamines. La résistance à cette classe d'antibiotiques est conférée par la « Staphylococcal Cassette Chromosome mec » (SCCmec), qui est un élément génétique mobile capable de s'insérer dans le chromosome bactérien et capable d'être transféré horizontalement chez d'autres staphylocoques. Le mécanisme moléculaire impliqué dans ce transfert horizontal demeure largement inconnu. L'une des premières étapes du transfert est l'excision du SCC mec du chromosome bactérien. Cette excision est promue par des enzymes codées par l'élément SCCmec lui- même et appelées de ce fait « Cassette Chromosome Recombinases » (Ccr). L'un des buts de ce travail de thèse a été de comprendre la régulation de l'expression des gènes codant pour les Ccr recombinases. En utilisant des outils moléculaires originaux, nous avons été en mesure de démontrer en premier lieu que les Ccr recombinases étaient exprimées de façon « bistable », c'est à dire qu'uniquement quelques pourcents de cellules dans une population exprimaient ces gènes à un temps donné. Dans un deuxième temps, nous avons également démontré que l'expression de ces gènes était régulée par des facteurs étrangers au SCC mec. L'expression bistable des recombinases est un concept important. Effectivement, cela permet à la majorité des cellules d'une population de conserver l'élément SCC mec, alors que seulement une petite fraction le perd afin de le rendre disponible pour un transfert. Ainsi, alors que l'élément SCC mec continue de se propager avec la multiplication des bactéries Staphylococcus aureus résistant à la méticilline (SARM), il peut être simultanément transmis à des souches susceptibles (Staphylococcus aureus susceptible à la méticilline, SASM), entraînant l'apparition de nouveaux SARM. De façon très intéressante, le fait que cette bistabilité est contrôlée par les bactéries, et non le SCCmec lui-même, montre que la décision de transférer ou non la cassette SCC mec appartient à la bactérie. En conséquence, il doit exister dans la nature des souches qui sont plus ou moins aptes à effectuer ce transfert. En nous appuyant sur ces observations, nous avons montré que l'excision du SCC mec était effectivement régulée de façon très étroite au cours de la division cellulaire, et ne se passait que pendant un temps limité au début de la croissance. Ce résultat est compatible avec une régulation génétique commandée par la densité cellulaire, qui pourrait être dépendante de la production de signaux extracellulaires, du type que l'on rencontre dans le quorum sensing. Les signaux hypothétiques entraînant l'excision du SCC mec restent inconnus à l'heure actuelle. La connaissance de ces signaux pourrait se révéler très importante afin de développer des stratégies pour interférer avec la dissémination de la résistance au β-lactamines. Deux sujets additionnels ont été logiquement investigués au vu de ces premiers résultats. Premièrement, si certaines souches de SARM sont plus ou moins aptes à déclencher l'excision du SCC mec, de même certaines souches de SASM devraient être plus ou moins aptes à acquérir cet élément. Deuxièmement, afin d'étudier ces mécanismes de transfert au niveau épidémiologique, il nous a été nécessaire de développer des outils nous permettant d'explorer le phénomène à une plus large échelle. Concernant le premier point, il a été postulé que certains SASM seraient réfractaires à l'intégration génomique d'un SCC mec en raison de polymorphismes particuliers à proximité du site d'insertion chromosomique (attB). En étudiant plus de 40 isolais de S. aureus, provenant de porteurs sains, nous avons confirmé ce polymorphisme dans l'environnement à'attB. De plus, nous avons pu montrer que ces régions polymorphiques ont évolué parallèlement à des groupes phylogénétiques bien connus. Ainsi, si des telles régions réfractaires à l'intégration de SCC mec existent, celles-ci devraient ségréger dans des complexes clonaux bien définis qui devraient être facilement identifiables au niveau épidémiologique. Concernant le second point, nous avons été capables de construire un système rapporteur de l'excision du SCCmec, en utilisant un plasmide à faible copie. Ce système consistait en un promoteur fort et un gène codant pour une protéine verte fluorescente (GFP) sous le contrôle d'un promoteur fort séparés à l'aide d'un élément SCC artificiel portant trois terminateurs de transcription. Ainsi, la fluorescence ne s'exprime que si l'élément SCC est excisé du plasmide. Ce système a été testé avec succès dans plusieurs types de staphylocoques, et est actuellement évalué dans d'autres souches et conditions stimulant ou inhibant l'excision. De manière générale, cette dissertation représente parcours scientifique à travers plusieurs aspects d'un problème de santé publique majeur en rapport avec la résistance bactérienne aux antibiotiques. Ce travail s'attaque à des problèmes fondamentaux concernant le transfert horizontal de l'élément SCC mec. De plus, il s'intéresse à des aspects plus généraux de cet élément génétique mobile qui pourraient se révéler très importants en terme de mouvement de gènes au sein des staphylocoques, voir d'autres bactéries gram-positives. Finalement ce travail de thèse met en place le fondamentaux requis pour des recherches futures visant à interférer avec le transfert horizontal de la résistance aux β-lactamines. - Staphylococcus aureus is a major human pathogen. Moreover, S. aureus have developed resistance to almost all available antibiotics, including the important family of β-lactam molecules. Intrinsic resistance to β-lactams is conferred by the Staphylococcal Cassette Chromosome mec (SCCmec), which is a mobile genomic island that inserts into the staphylococcal chromosome and can be horizontally transferred into other staphylococci. However, little is known about the molecular mechanisms involved in this horizontal transfer into naïve strains. One of the first steps in SCC mec horizontal transfer is its excision from the chromosome. Excision is mediated by recombinase enzymes that are encoded by SCC mec itself, and named accordingly Ccr recombinases - for Cassette Chromosome recombinases. One goal of this thesis was to understand the regulation these recombinase genes. By using original molecular tools we could demonstrate first that the Ccr recombinases were expressed in a "bistable" manner, i.e. in only few percentages of the bacterial cells at a given time, and second that they were regulated by determinants that were not encoded on the SCC mec element, but elsewhere on the staphylococcal genome. "Bistable" expression Ccr recombinases is an important concept. It allows SCC mec to be excised and thus available for horizontal transfer, while ensuring that only some cells, but not the whole population, loose their valuable SCC mec genes. Thus, while the SCC mec element expands with the multiplication of the MRSA colony, it can simultaneously be transmitted into methicillin-susceptible S. aureus (MSSA), which convert into new MRSA. Most interestingly, the fact that bistability was regulated by the cells, rather than by SCC mec, indicates that it was the choice of the bacteria to trigger or not SCC mec transfer. As a consequence, there must be, in nature, staphylococcal strains that are more or less prone to sustain SCC mec transfer. Following these seminal observations we found that excision was indeed tightly regulated during bacterial division, and occurred only during a limited period of time at the beginning of bacterial growth. This is compatible with cell-density mediated gene regulation, and may depend on the production of extracellular signal molecules that transmit appropriate orders to neighboring cells, such as in quorum sensing. The potential signal triggering SCCmec excision is as yet unknown. However, it could be critical in promoting the horizontal transfer of methicillin resistance, or for the possible development of means to interfere with it. Two additional hypothesis were logically investigated in the view of these first results. First, if some strains of MRSA might be more prone than others to promote SCC mec excision, then some strains of MS SA might be more or less prone to acquire the element as well. Second, to investigate these multiple mechanisms at an epidemiological level, one would need to develop tools amenable to explore S. aureus strains at a larger scale. Regarding the first issue, it was postulated by others that some MSSA might be refractory to SCC mec integration because they had peculiar DNA polymorphisms in the vicinity of the site-specific chromosomal entry point {attB) of SCC mec. By studying >40 S. aureus isolates from healthy carriers, we confirmed the polymorphism of the attB environment. Moreover, we could show that these polymorphic regions co-evolved with well-known phylogenic clonal clusters. Therefore, if SCCwec-refractory attB environments exist, then they would segregate in well- defined S. aureus clonal clusters that would be easy to identify at the epidemiological level. Regarding the second issue, we were able to construct a new excision reporter system in a low copy number S. aureus plasmid. The reporter system consists in a strong promoter driving a green fluorescent protein {gfp) gene, separated by an artificial SCC-like element carrying three transcriptional terminators. Thus, fluorescence is not expressed unless the SCC-like element is excised. The system has been successfully tested in several aureus and non- aureus staphylococci, and is now being applied to more strains and various excision- triggering or inhibiting conditions. Altogether the dissertation is a scientific journey through various aspects of a salient medical problem with regard to antibiotic resistance and public health threat. The research work tackles fundamental issues about the mechanisms of horizontal transfer of the SCC mec element. Moreover, it also addresses more general features of this mobile element, which could be of larger importance with regard to gene trafficking in staphylococci, and maybe other gram-positive bacteria. Finally, the dissertation sets the fundamentals for future work and possible new ways to interfere with the horizontal transfer of methicillin resistance.

" Leishmania major " metacaspase in programmed cell death

Abstract: The human protozoan parasite Leishmania major has been shown to exhibit several morphological and biochemical features characteristic of a programmed cell death (PCD) when differentiating into infectious stages and under a variety of stress conditions. In mammalian cells, the principal effector molecules of PCD or apoptosis are caspases. Although some caspase-like peptidase activity has been reported in dying parasites, no caspase gene is present in the L. major genome. However, a single metacaspase gene is present in L. major whose encoded protein harbors the predicted secondary structure and the catalytic dyad histidine/cysteine described for caspases and other metacaspases identified in plants and yeast. Metacaspases are also present in other protozoan parasites such as Trypanosoma and Plasmodium species and are not present in mammalian cells, which make them a possible drug target for the treatment of the parasitic diseases they cause. The Saccharomyces cerevisiae metacaspase YCA1 has been implicated in the death of aging cells, cells defective in some biological functions, and cells exposed to different environmental stresses. In this study, we evaluated the functional heterologous complementation of a S. cerevisiae ycal null mutant with the L. major metacaspase (LmjMCA} in cell death induced by oxidative stress. We show that LmjMCA is involved in yeast cell death, similar to YCA1, and that this function depends on its catalytic activity. LmjMCA was found to be auto-processed as occurs for caspases, however, LmjMCA did not exhibit any activity with caspase substrates. In contrast, LmjMCA was active towards substrates with arginine in the P1 position, with the activity being abolished following H147A and C202A catalytic site mutations and addition of the arginal inhibitor leupeptin. In order to identify the L. major proteins that may function as substrates, inhibitors, or may bind and recruit LmjMCA, a yeast two-hybrid screening with cDNA libraries from different life cycle stages of the parasite was conducted. Proteins putatively involved in PCD were identified as interacting with LmjMCA, however, the interaction of LmjMCA with proteins involved in other physiological processes such as vesicle transport, suggests that LmjMCA could have additional roles in the different life cycle stages of the parasite. Résumé: Plusieurs caractéristiques morphologiques et biochimiques rappelant la mort cellulaire programmée ont été identifiées dans les stades infectieux et sous des conditions de stress, chez le parasite protozoaire humain, Leishmania major. Dans les cellules de mammifères, les caspases sont les molécules effectrices principales impliquées dans la mort cellulaire programmée et l'apoptose. Bien qu'une activité caspase ait été retrouvée dans des parasites en mon` cellulaire, le génome de Leishmania ne contient aucun gène qui pourrait coder pour une caspase. À la place, on retrouve un gène unique codant pour une métacaspase. Une prédiction de la structure secondaire de la métacaspase montre que cette métacaspase a un domaine catalytique contenant la dyade histidine/cystéine présente dans les caspases et les autres métacaspases décrites chez les plantes et la levure. Les métacaspases sont aussi présentes dans d'autres parasites protozoaires tels que Trypanosome et Plasmodium, mais ne sont pas présentes dans les cellules de mammifères, ce qui en fait des cibles intéressantes pour le développement de drogue. Dans la levure, Saccharomyces cerevisiae, la métacaspase YCA1 est impliquée dans la mort des cellules âgées, la mort des cellules défectueuses dans certaines fonctions biologiques et dans les cellules exposées à différents stress environnementaux. Dans cette étude, une complémentation hétérologue fonctionnelle d'un mutant de la levure déficient en YCA1 par le gène LmjMCA de L. major lors de l'induction de ta mort par stress oxydatif a été évaluée. Nos résultats montrent que LmjMCA peut remplacer YGA1 dans le programme de mort cellulaire chez la levure et que celte fonction dépend de son activité catalytique. De plus, LmjMCA subit une auto clivage comme les caspases mais n'exhibe aucune spécificité pour les substrats des caspases. Au contraire, LmjMCA est active envers des substrats ayant une arginine en position P1, son activité étant détruite suite à des changements de son domaine catalytique par les mutations H147A et C202A ou suite à une inhibition para la leupeptine. Afin d'identifier quels pourraient être les substrats, les inhibiteurs ou les molécules interagissant avec LmjMCA, nous avons entrepris un criblage double-hybride en utilisant des librairies de d'ADNc provenant de différents stades du cycle parasitaire. Plusieurs protéines potentiellement impliquées dans un programme de mort cellulaire ont été identifiées comme interagissant avec LmjMCA. Cependant, l'identification de protéines impliquées dans le transport vésiculaire suggère aussi que LmjMCA pourrait avoir un rôle additionnel dans les différents stades du cycle parasitaire. Résumé destiné à un large public: De nos jours, la leishmaniose est la deuxième plus importante maladie parasitaire après la malaria. Malgré les avancées accomplies dans les stratégies de contrôle, près de deux millions de nouveaux cas apparaissent chaque année. Actuellement, la principale stratégie pour faire face à ce problème épidémiologique consiste en un traitement pharmacologique des personnes infectées. Pourtant, seule une dizaine de médicaments, dont la plupart sont toxiques, est disponible pour traiter la leishmaniose et des cas de résistance émergent dans certains pays endémiques. Il devient donc urgent de mettre au point de nouveaux traitements anti-leishmaniens capables d'éliminer le parasite sans effets indésirables sur le patient. Récemment, des caractéristiques morphologiques et biochimiques de la mort cellulaire programmée (MCP) semblables au processus de l'apoptose chez les mammifères ont été décrites dans Leishmania. Cependant, des gènes codant pour des protéines similaires à celles qui sont impliquées dans l'apoptose, comme les caspases, ne se retrouvent pas dans le génome de Leishmanía major. Néanmoins, les espèces de Leishmanía, aussi bien que d'autres parasites protozoaires responsables des trypanosomiases et de la malaria, possèdent des métacaspases qui sont des protéines homologues aux caspases mais qui ne sont pas présentes chez les mammifères. C'est pourquoi, la caractérisation de la métacaspase de Leishmania (LmjMCA) ainsi que ses mécanismes d'activation pourrait être une piste d'investigation intéressante dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans les voies de signalisation de la MCP des parasites protozoaires. Dans la levure, Saccharomyces cerevisiae, la métacaspase YCA1 est impliquée dans la mort des cellules âgées, la mort des cellules défectueuses dans certaines fonctions biologiques et dans les cellules exposées à différents stress environnementaux. Dans cette étude, une complémentation hétérologue fonctionnelle d'un mutant de la levure déficient en YCA1 par le gène LmjMCA de L major lors de l'induction de la mort par stress oxydatif a été évaluée. Nos résultats montrent que LmjMCA peut remplacer YCA1 dans le programme de mort cellulaire chez la levure et que cette fonction dépend de son activité catalytique. De plus, LmjMCA subit une auto clivage comme les caspases mais n'exhibe aucune spécificité pour les substrats des caspases. Au contraire, LmjMCA est active envers des substrats ayant une arginine en position P1, son activité étant détruite suite à des changements de son domaine catalytique par les mutations H147A et C202A ou suite à une inhibition para la leupeptine. Afin d'identifier quels pourraient être les substrats, les inhibiteurs ou les molécules interagissant avec LmjMCA, nous avons entrepris un criblage double-hybride en utilisant des librairies de d'ADNe provenant de différents stades du cycle parasitaire. Plusieurs protéines potentiellement impliquées dans un programme de mort cellulaire ont été identifiées comme interagissant avec LmjMCA. Cependant, l'identification de protéines impliquées dans le transport vésiculaire suggère aussi que LmjMCA pourrait avoir un rôle additionnel dans les différents stades du cycle parasitaire. Resumen destinado al público en general: La leishmaniasis es la segunda enfermedad parasitaria más importante en el mundo actual. Aproximadamente 2 millones de nuevos casos ocurren cada año a pesar de los avances logrados en el desarrollo de nuevos métodos de control. El tratamiento farmacológico de las personas infectadas es actualmente la principal estrategia de control, sin embargo, menos de una decena de medicamentos se encuentran disponibles en el mercado, la mayoría de ellos son tóxicos, y ya empiezan a encontrarse parásitos resistentes en algunos países endémicos para la leishmaniasis. El desarrollo de nuevos medicamentos capaces de eliminar los parásitos sin producir efectos indeseables en los humanos, es una necesidad inminente. Recientemente, algunas de las características morfológicas y bioquímicas de la muerte celular programada (MCP) similares al proceso de la apoptosis en mamíferos, han sido descritas en parasitos de Leishmania. Sin embargo, genes que codifiquen proteínas similares a aquellas involucradas en la apoptosis, como las caspasas, no se encuentran en el genoma de Leishmania major. AI contrario, las especies de Leishmania, así como de los otros parásitos responsables de la tripanosomiasis y de la malaria, poseen metacaspases, proteínas homologas a las caspases pero que no están presentes en las células de mamíferos. La caracterización de la metacaspasa de L. major y de sus mecanismos de activación constituye, por lo tanto, un área de investigación interesante para la identificación de nuevos blancos terapéuticos en el proceso de MCP de los parásitos protozoarios. En la levadura Saccharomyces cerevisiae, la metacaspasa YCA1 ha sido descrita como implicada en la muerte de células envejecidas, células defectuosas en algunas funciones biológicas, y en células expuestas a diferentes tipos de estrés ambiental. En el presente estudio se evaluó la complementación heteróloga funcional de una levadura mutante deficiente en YCA1 con el gen de metacaspase de L. major (LmjMCA) en la MCP inducida por estrés oxidativo. Nuestros resultados muestran que la LmjMCA puede reemplazarla YCA1 en la MCP de la levadura dependiente de su actividad catalítica y que la LmjMCA se auto-procesa similar a las caspasas. Sin embargo, LmjMCA no reconoce los substratos de caspasas sino substratos con una arginina en ta posición P1. Dicha actividad enzimática fue abolida con la inducción de las mutaciones puntuales H147A y C202A en la díada catalítica de LmjMCA y con la adición de leupeptina, un inhibidor con arginina. Con el fin de identificar proteínas que pudieran funcionar como substratos, inhibidores o moléculas modificadoras de LmjMCA, se aplicó el método de doble-híbrido en levadura con bibliotecas de ADNc provenientes de diferentes estadios del ciclo de vida del parásito. Algunas proteínas potencialmente implicadas. en la MCP del parásito fueron identiñcadas interactuando con LmjMCA. La identificación de otras proteínas involucradas en transporte vesicular sugiere que la LmjMCA podría tener una función biológica adicional en los diferentes estadios del ciclo de vida dei parásito.

Untangling the evolution of Rab G proteins: implications of a comprehensive genomic analysis.

BACKGROUND: Membrane-bound organelles are a defining feature of eukaryotic cells, and play a central role in most of their fundamental processes. The Rab G proteins are the single largest family of proteins that participate in the traffic between organelles, with 66 Rabs encoded in the human genome. Rabs direct the organelle-specific recruitment of vesicle tethering factors, motor proteins, and regulators of membrane traffic. Each organelle or vesicle class is typically associated with one or more Rab, with the Rabs present in a particular cell reflecting that cell's complement of organelles and trafficking routes. RESULTS: Through iterative use of hidden Markov models and tree building, we classified Rabs across the eukaryotic kingdom to provide the most comprehensive view of Rab evolution obtained to date. A strikingly large repertoire of at least 20 Rabs appears to have been present in the last eukaryotic common ancestor (LECA), consistent with the 'complexity early' view of eukaryotic evolution. We were able to place these Rabs into six supergroups, giving a deep view into eukaryotic prehistory. CONCLUSIONS: Tracing the fate of the LECA Rabs revealed extensive losses with many extant eukaryotes having fewer Rabs, and none having the full complement. We found that other Rabs have expanded and diversified, including a large expansion at the dawn of metazoans, which could be followed to provide an account of the evolutionary history of all human Rabs. Some Rab changes could be correlated with differences in cellular organization, and the relative lack of variation in other families of membrane-traffic proteins suggests that it is the changes in Rabs that primarily underlies the variation in organelles between species and cell types.

"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.