Stable isotope geochemistry and formation mechanisms of quartz veins; Extreme paleoaltitudes of the Central Alps in the Neogene

Quartz veins ranging in size from less than 50 cm length and 5 cm width to greater than 10 m in length and 5 m in width are found throughout the Central Swiss Alps. In some cases, the veins are completely filled with milky quartz, while in others, sometimes spectacular void-filling quartz crystals are found. The style of vein filling and size is controlled by host rock composition and deformation history. Temperatures of vein formation, estimated using stable isotope thermometry and mineral equilibria, cover a range of 450 degrees C down to 150 degrees C. Vein formation started at 18 to 20 Ma and continued for over 10 My. The oxygen isotope values of quartz veins range from 10 to 20 permil, and in almost all cases are equal to those of the hosting lithology. The strongly rock-buffered veins imply a low fluid/rock ratio and minimal fluid flow. In order to explain massive, nearly morromineralic quartz formation without exceptionally large fluid fluxes, a mechanism of differential pressure and silica diffusion, combined with pressure solution, is proposed for early vein formation. Fluid inclusions and hydrous minerals in late-formed veins have extremely low delta D values, consistent with meteoric water infiltration. The change from rock-buffered, static fluid to infiltration from above can be explained in terms of changes in the large-scale deformation style occurring between 20 and 15 Ma. The rapid cooling of the Central Alps identified in previous studies may be explained in part, by infiltration of cold meteoric waters along fracture systems down to depths of 10 km or more. An average water flux of 0.15 cm 3 cm(-2)yr(-1) entering the rock and reemerging heated by 40 degrees C is sufficient to cool rock at 10 km depth by 100 degrees C in 5 million years. The very negative delta D values of < -130 permil for the late stage fluids are well below the annual average values measured in meteoric water in the region today. The low fossil delta D values indicate that the Central Alps were at a higher elevation in the Neogene. Such a conclusion is supported by an earlier work, where a paleoaltitude of 5000 meters was proposed on the basis of large erratic boulders found at low elevations far from their origin.

Natural evidence for rapid abiogenic hydrothermal generation of CH4

Although recent hydrothermal experiments imply that abiogenic methane (CH4) generation from hydrothermal reduction of CO2 can occur, evidence from natural systems was still lacking. Based on the chemical and isotopic equilibrium signatures of low-temperature fumarolic gas discharges, we are able to provide hard evidence for its natural occurrence, namely in three subduction-related bi-phase hydrothermal systems of the Mediterranean, whose temperatures range from 260 to 470 degrees C. The attainment of equilibrium and the time spans of recent volcanic dormancy allowed us to calculate minimum rates for chemical and isotopic equilibration. These are significantly higher than those previously reported and might be due to the presence of a saturated water vapor phase in the investigated systems. The fact that nature provides conditions enabling relatively fast production of hydrocarbons from CO2 strongly supports the concerns that were recently raised from laboratory experiments. These address the use of the carbon isotope composition of reduced carbon in Archean sediments as a tracer of early life and the occurrence of CH4 on extraterrestrial planets as a bioindicator. In view of the potential role of abiogenic CH4 as a precursor of life, we also present an estimate of abiogenic hydrothermal CH4 fluxes throughout the Archean. It is not expected that these fluxes exceeded 80 Mt/yr during the past 4.0 Ga. This, however, would have been enough to facilitate HCN production on the prebiotic Earth. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Objective comparison of image quality and dose between conventional and synchrotron radiation mammography.

The shape of the energy spectrum produced by an x-ray tube has a great importance in mammography. Many anode-filtration combinations have been proposed to obtain the most effective spectrum shape for the image quality-dose relationship. On the other hand, third generation synchrotrons such as the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble are able to produce a high flux of monoenergetic radiation. It is thus a powerful tool to study the effect of beam energy on image quality and dose in mammography. An objective method was used to evaluate image quality and dose in mammography with synchrotron radiation and to compare them to standard conventional units. It was performed systematically in the energy range of interest for mammography through the evaluation of a global image quality index and through the measurement of the mean glandular dose. Compared to conventional mammography units, synchrotron radiation shows a great improvement of the image quality-dose relationship, which is due to the beam monochromaticity and to the high intrinsic collimation of the beam, which allows the use of a slit instead of an anti-scatter grid for scatter rejection.

Saccharomyces cerevisiae, a tool to study the β-oxidation through the synthesis of polyhydroxyalkanoates

Summary Polyhydroxyalkanoates (PHAs) represent a family of polyesters naturally synthesized by a wide variety of bacteria. Through their thermoplastic and elastomeric qualities, together with their biodegradable and renewable properties, they are predicted to be a good alternative to the petroleum- derived plastics. Nevertheless, as PHA production costs using bacteria fermentation are still too high, PHA synthesis within eukaryotic systems, such as plants, has been elaborated. Although the costs were then efficiently lowered, the yield of PHAs produced remained low. In this study, Saccharomyces cerevisae has been used as another eukaryotic model in order to reveal the steps which limit PHA production. These cells express the PHA synthase of Pseudomonas aeruginosa and the PHAs obtained were analyzed to understand the flux of fatty acids towards and through the peroxisomal β-oxidation core cycle, generating the main substrate of the PHA synthase. When S. cerevisiae wild-type cells are grown in a media containing glucose as carbon source as well as fatty acids, the PHA monomer composition is largely influenced by the nature of the external fatty acid used. Thus, even-chain PHA monomers are generated from oleic acid (18:1Δ9cis) and odd- chain PHA monomers are generated from heptadecenoic acid (17:1Δ. 10 cis). Moreover, PHA synthesis is dependent on the first two enzymes of the 0-oxidation core cycle, the acyl-CoA oxidase and the multifunctional enzyme enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase. S. cerevisiae mutant cells growing on oleic or heptadecenoic acid and deficient in either the R-3- hydroxyacyl-CoA dehydrogenase or in the 3-ketothiolase activity, the last β-oxidation cycle steps, surprisingly contained PHAs of predominantly even-chain monomers. This is also noticed in wild- type and mutants grown on glucose or raffinose, indicating that the substrate used for PHA synthesis is generated from the degradation of intracellular short- and medium-chain fatty acids by the 3- oxidation cycle. Inhibition of fatty acid biosynthesis by cerulenin blocks the synthesis of PHAs from intracellular fatty acids but still enables the use of extracellular fatty acids for polymer production. Together, these results uncovered the existence of a substantial futile cycle whereby short- and medium-chain intermediates of the cytoplasmic fatty acid biosynthetic pathway are directed towards the peroxisomal β-oxidation pathway. In this thesis, no increase of the yield of PHA produced could be obtained. But the PHA synthesis confirmed the carbon flux into and through the β-oxidation core cycle and unveiled the existence of novel mechanisms. It is thus a good tool to study in vivo the flux of carbons in S. cerevisiae cells. Résumé Les polyhydroxyalkanoates (PHAs) sont une famille de polyesters naturellement synthétisés par un grand nombre de bactéries. Ayant des propriétés de thermoplastiques, d'élastomères et étant des ressources biodégradables et renouvelables, les PHAs représentent une bonne alternative aux plastiques dérivés du pétrole. Pour pallier aux coûts considérables de la production de PHAs par fermentation bactérienne, la synthèse de PHAs par des systèmes eucaryotes telles les plantes a été élaborée. Les coûts ont ainsi efficacement été diminués, mais le rendement de PHAs produits reste faible. Dans cette étude, Saccharomyces cerevisiae a été utilisé comme autre modèle eucaryote pour révéler les étapes limitantes de la production de PHAs. Les PHAs obtenus dans les cellules exprimant la F'HA synthase de Pseudomonas aeruginosa ont été analysés afin de comprendre le flux d'acides gras vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation, principal producteur du substrat de la PHA synthase. Lorsque la souche S. cerevisiae de type sauvage se développe dans un milieu contenant du glucose et des acides gras, la composition des monomères de PHAs est influencée par la nature des acides gras extracellulaires. Ainsi, les monomères pairs sont générés par l'acide oléique (18:1Δ9cis), tandis que les impairs le sont par l'acide heptadécénoïque (17:1Δ10cis). La synthèse de PHAs est dépendante des deux premières enzymes de la β-oxidation; l'acyl-CoA oxidase et l'enzyme multifonctionnelle enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase. Les souches mutantes ne possédant pas les activités de la R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase ou de la 3- ketothiolase contiennent, en présence d'acide oléique ou heptadécénoïque, des PHAs composés essentiellement de monomères pairs. Cela a également été observé en présence de glucose ou de raffinose uniquement. Le substrat utilisé pour la synthèse de PHAs a ainsi été généré par la dégradation d'acides gras intracellulaires à chaîne courte et moyenne via le cycle de la β-oxidation. L'inhibition de la synthèse d'acides gras par la cérulénine a bloqué la synthèse de PHAs par les acides gras internes. Ces résultats ont révélés l'existence d'un cycle futile par lequel des intermédiaires à chaîne courte et moyenne de la synthèse cytoplasmique d'acides gras sont dirigés vers le cycle péroxisomal de la β-oxidation. Dans cette étude, le rendement de PHAs produits reste inchangé, mais l'analyse des PHAs permet de confirmer le flux de carbones vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation et l'existence de nouveaux méchanismes a été dévoilée. Cette synthèse s'avère être un bon outil pour étudier in vivo le flux de carbones dans les cellules de S. cerevisiae.

A role for glutamate transporters in the regulation of insulin secretion.

In the brain, glutamate is an extracellular transmitter that mediates cell-to-cell communication. Prior to synaptic release it is pumped into vesicles by vesicular glutamate transporters (VGLUTs). To inactivate glutamate receptor responses after release, glutamate is taken up into glial cells or neurons by excitatory amino acid transporters (EAATs). In the pancreatic islets of Langerhans, glutamate is proposed to act as an intracellular messenger, regulating insulin secretion from β-cells, but the mechanisms involved are unknown. By immunogold cytochemistry we show that insulin containing secretory granules express VGLUT3. Despite the fact that they have a VGLUT, the levels of glutamate in these granules are low, indicating the presence of a protein that can transport glutamate out of the granules. Surprisingly, in β-cells the glutamate transporter EAAT2 is located, not in the plasma membrane as it is in brain cells, but exclusively in insulin-containing secretory granules, together with VGLUT3. In EAAT2 knock out mice, the content of glutamate in secretory granules is higher than in wild type mice. These data imply a glutamate cycle in which glutamate is carried into the granules by VGLUT3 and carried out by EAAT2. Perturbing this cycle by knocking down EAAT2 expression with a small interfering RNA, or by over-expressing EAAT2 or a VGLUT in insulin granules, significantly reduced the rate of granule exocytosis. Simulations of granule energetics suggest that VGLUT3 and EAAT2 may regulate the pH and membrane potential of the granules and thereby regulate insulin secretion. These data suggest that insulin secretion from β-cells is modulated by the flux of glutamate through the secretory granules.

Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

Open to closed system transition traced through the TDIC isotopic signature at the aquifer recharge stage, implications for groundwater 14C dating

14C dating models are limited when considering recent groundwater for which the carbon isotopic signature of the total dissolved inorganic carbon (TDIC) is mainly acquired in the unsaturated zone. Reducing the uncertainties of dating thus implies a better identification of the processes controlling the carbon isotopic composition of the TDIC during groundwater recharge. Geochemical interactions between gas, water and carbonates in the unsaturated zone were investigated for two aquifers (the carbonate-free Fontainebleau sands and carbonate-bearing Astian sands, France) in order to identify the respective roles of CO2 and carbonates on the carbon isotopic signatures of the TDIC; this analysis is usually approached using open or closed system terms. Under fully open system conditions, the seasonality of the 13C values in the soil CO2 can lead to important uncertainties regarding the so-called "initial 14C activity" used in 14C correction models. In a carbonate-bearing unsaturated zone such as in the Astian aquifer, we show that an approach based on fully open or closed system conditions is not appropriate. Although the chemical saturation between water and calcite occurs rapidly within the first metre of the unsaturated zone, the carbon isotopic contents (δ13C) of the CO2 and the TDIC evolve downward, impacted by the dissolution-precipitation of the carbonates. In this study, we propose a numerical approach to describe this evolution. The δ13C and the A 14C (radiocarbon activity) of the TDIC at the base of the carbonate-hearing unsaturated zone depends on (i) the δ13C and the A 14C of the TDIC in the soil determined by the soil CO2, (ii) the water's residence time in the unsaturated zone and (iii) the carbonate precipitation-dissolution fluxes. In this type of situation, the carbonate δ13C-A 14C evolutions indicate the presence of secondary calcite and permit the calculation of its accretion flux, equal to ~ 4.5 ± 0.5 x 10-9 mol grock-1 yr-1. More generally, for other sites under temperate climate and with similar properties to the Astian sands site, this approach allows for a reliable determination of the carbon isotopic composition at the base of the unsaturated zone as the indispensable "input function" data of the carbon cycle into the aquifer.

Futile cycling of intermediates of fatty acid biosynthesis toward peroxisomal beta-oxidation in Saccharomyces cerevisiae.

The flux of fatty acids toward beta-oxidation was analyzed in Saccharomyces cerevisiae by monitoring polyhydroxyalkanoate synthesis in the peroxisome from the polymerization, by a bacterial polyhydroxyalkanoate synthase, of the beta-oxidation intermediates 3-hydroxyacyl-CoAs. Synthesis of polyhydroxyalkanoate was dependent on the beta-oxidation enzymes acyl-CoA oxidase and enoyl-CoA hydratase/3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase multifunctional protein, which are involved in generating 3-hydroxyacyl-CoAs, and on the peroxin PEX5, which is involved in the import of proteins into the peroxisome. In wild type cells grown in media containing fatty acids, the polyhydroxyalkanoate monomer composition was largely influenced by the nature of the external fatty acid, such that even-chain monomers are generated from oleic acid and odd-chain monomers are generated from heptadecenoic acid. In contrast, polyhydroxyalkanoate containing predominantly 3-hydroxyoctanoate, 3-hydroxydecanoate, and 3-hydroxydodecanoate was synthesized in a mutant deficient in the peroxisomal 3-ketothiolase (fox3 Delta 0) growing either on oleic acid or heptadecenoic acid as well as in wild type and fox3 Delta 0 mutants grown on glucose or raffinose, indicating that 3-hydroxyacyl-CoAs used for polyhydroxyalkanoate synthesis were generated from the degradation of intracellular short- and medium-chain fatty acids by the beta-oxidation cycle. Inhibition of fatty acid biosynthesis with cerulenin blocked the synthesis of polyhydroxyalkanoate from intracellular fatty acids but still enabled the use of extracellular fatty acids for polymer production. Mutants affected in the synthesis of lipoic acid showed normal polyhydroxyalkanoate synthesis capacity. Together, these results uncovered the existence of a substantial futile cycle whereby short- and medium-chain intermediates of the cytoplasmic fatty acid biosynthetic pathway are directed toward the peroxisomal beta-oxidation pathway.

VEGF is a mediator of retinal pigment epithelium permeability leading to photoreceptor cell death in light-induced retinal degeneration : gene therapy strategy to prevent AMD-disorders

ABSTRACTIn normal tissues, a balance between pro- and anti-angiogenic factors tightly controls angiogenesis. Alterations of this balance may have pathological consequences. For instance, concerning the retina, the vascular endothelial growth factor (VEGF) is a potent pro-angiogenic factor, and has been identified has a key player during ocular neovascularization implicated in a variety of retinal diseases. In the exudative form (wet-form) of age-related macular degeneration (AMD), neovascularizations occurring from the choroidal vessels are responsible for a quick and dramatic loss of visual acuity. In diabetic retinopathy and retinopathy of prematurity, sprouting from the retinal vessels leads to vision loss. Furthermore, the aging of the population, the increased- prevalence of diabetes and the better survival rate of premature infants will lead to an increasing rate of these conditions. In this way, anti-VEGF strategy represents an important therapeutic target to treat ocular neovascular disorders.In addition, the administration of Pigmented Epithelial growth factor, a neurotrophic and an anti- angiogenic factor, prevents photoreceptor cell death in a model of retinal degeneration induced by light. Previous results analyzing end point morphology reveal that the light damage (LD) model is used to mimic retinal degenerations arising from environmental insult, as well as aging and genetic disease such as advanced atrophic AMD. Moreover, light has been identified as a co-factor in a number of retinal diseases, speeding up the degeneration process. This protecting effect of PEDF in the LD retina raises the possibility of involvement of the balance between pro- and anti-angiogenic factors not only for angiogenesis, but also in cell survival and maintenance.The aim of the work presented here was to evaluate the importance of this balance in neurodegenerative processes. To this aim, a model of light-induced retinal degeneration was used and characterized, mainly focusing on factors simultaneously controlling neuron survival and angiogenesis, such as PEDF and VEGF.In most species, prolonged intense light exposure can lead to photoreceptor cell damage that can progress to cell death and vision loss. A protocol previously described to induce retinal degeneration in Balb/c mice was used. Retinas were characterized at different time points after light injury through several methods at the functional and molecular levels. Data obtained confirmed that toxic level of light induce PR cell death. Variations were observed in VEGF pathway players in both the neural retina and the eye-cup containing the retinal pigment epithelium (RPE), suggesting a flux of VEGF from the RPE towards the neuroretina. Concomitantly, the integrity of the outer blood-retinal-barrier (BRB) was altered, leading to extravascular albumin leakage from the choroid throughout the photoreceptor layer.To evaluate the importance of VEGF during light-induced retinal degeneration process, a lentiviral vector encoding the cDNA of a single chain antibody directed against all VEGF-A isoforms was developed (LV-V65). The bioactivity of this vector to block VEGF was validated in a mouse model of laser-induced choroidal neovascularization mediated by VEGF upregulation. The vector was then used in the LD model. The administration of the LV-V65 contributed to the maintenance of functional photoreceptors, which was assessed by ERG recording, visual acuity measurement and histological analyses. At the RPE level, the BRB integrity was preserved as shown by the absence of albumin leakage and the maintenance of RPE cell cohesion.These results taken together indicate that the VEGF is a mediator of light induced PR degeneration process and confirm the crucial role of the balance between pro- and anti-angiogenic factors in the PR cell survival. This work also highlights the prime importance of BRB integrity and functional coupling between RPE and PR cells to maintain the PR survival. VEGF dysregulation was already shown to be involved in wet AMD forms and our study suggests that VEGF dysregulation may also occur at early stages of AMD and could thus be a potential therapeutic target for several RPE related diseases.RESUMEDans les différents tissues de l'organisme, l'angiogenèse est strictement contrôlée par une balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques. Des modifications survenant dans cette balance peuvent engendrer des conséquences pathologiques. Par exemple, concernant la rétine, le facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF) est un facteur pro-angiogénique important. Ce facteur a été identifié comme un acteur majeur dans les néovascularisations oculaires et les processus pathologiques angiogéniques survenant dans l'oeil et responsables d'une grande variété de maladies rétiniennes. Dans la forme humide de la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA), la néovascularisation choroïdienne est responsable de la perte rapide et brutale de l'acuité visuelle chez les patients affectés. Dans la rétinopathie diabétique et celle lié à la prématurité, l'émergence de néovaisseaux rétiniens est la cause de la perte de la vision. Les néovascularisations oculaires représentent la principale cause de cécité dans les pays développés. De plus, l'âge croissant de la population, la progression de la prévalence du diabète et la meilleure survie des enfants prématurés mèneront sans doute à l'augmentation de ces pathologies dans les années futures. Dans ces conditions, les thérapies anti- angiogéniques visant à inhiber le VEGF représentent une importante cible thérapeutique pour le traitement de ces pathologies.Plusieurs facteurs anti-angiogéniques ont été identifiés. Parmi eux, le facteur de l'épithélium pigmentaire (PEDF) est à la fois un facteur neuro-trophique et anti-angiogénique, et l'administration de ce facteur au niveau de la rétine dans un modèle de dégénérescence rétinienne induite par la lumière protège les photorécepteurs de la mort cellulaire. Des études antérieures basées sur l'analyse morphologique ont révélé que les modifications survenant lors de la dégénération induite suite à l'exposition à des doses toxiques de lumière représente un remarquable modèle pour l'étude des dégénérations rétiniennes suite à des lésions environnementales, à l'âge ou encore aux maladies génétiques telle que la forme atrophique avancée de la DMLA. De plus, la lumière a été identifiée comme un co-facteur impliqué dans un grand nombre de maladies rétiniennes, accélérant le processus de dégénération. L'effet protecteur du PEDF dans les rétines lésées suite à l'exposition de des doses toxiques de lumière suscite la possibilité que la balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques soit impliquée non seulement dans les processus angiogéniques, mais également dans le maintient et la survie des cellules.Le but de ce projet consiste donc à évaluer l'implication de cette balance lors des processus neurodégénératifs. Pour cela, un modèle de dégénération induite par la lumière à été utilisé et caractérisé, avec un intérêt particulier pour les facteurs comme le PEDF et le VEGF contrôlant simultanément la survie des neurones et l'angiogenèse.Dans la plupart des espèces, l'exposition prolongée à une lumière intense peut provoquer des dommages au niveau des cellules photoréceptrices de l'oeil, qui peut mener à leur mort, et par conséquent à la perte de la vision. Un protocole préalablement décrit a été utilisé pour induire la dégénération rétinienne dans les souris albinos Balb/c. Les rétines ont été analysées à différents moments après la lésion par différentes techniques, aussi bien au niveau moléculaire que fonctionnel. Les résultats obtenus ont confirmé que des doses toxiques de lumière induisent la mort des photorécepteurs, mais altèrent également la voie de signalisation du VEGF, aussi bien dans la neuro-rétine que dans le reste de l'oeil, contenant l'épithélium pigmentaire (EP), et suggérant un flux de VEGF provenant de ΙΈΡ en direction de la neuro-rétine. Simultanément, il se produit une altération de l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne externe, menant à la fuite de protéine telle que l'albumine, provenant de la choroïde et retrouvée dans les compartiments extravasculaires de la rétine, telle que dans la couche des photorécepteurs.Pour déterminer l'importance et le rôle du VEGF, un vecteur lentiviral codant pour un anticorps neutralisant dirigée contre tous les isoformes du VEGF a été développé (LV-V65). La bio-activité de ce vecteur a été testé et validée dans un modèle de laser, connu pour induire des néovascularisations choroïdiennes chez la souris suite à l'augmentation du VEGF. Ce vecteur a ensuite été utilisé dans le modèle de dégénération induite par la lumière. Les résultats des électrorétinogrammes, les mesures de l'acuité visuelle et les analyses histologiques ont montré que l'injection du LV-V65 contribue à la maintenance de photorécepteurs fonctionnels. Au niveau de l'EP, l'absence d'albumine et la maintenance des jonctions cellulaires des cellules de l'EP ont démontré que l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne externe est préservée suite au traitement.Par conséquent, tous les résultats obtenus indiquent que le VEGF est un médiateur important impliquée dans le processus de dégénération induit par la lumière et confirme le rôle cruciale de la balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques dans la survie des photorécepteurs. Cette étude révèle également l'importance de l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne et l'importance du lien fonctionnel et structurel entre l'EP et les photorécepteurs, essentiel pour la survie de ces derniers. Par ailleurs, Cette étude suggère que des dérèglements au niveau de l'équilibre du VEGF ne sont pas seulement impliqués dans la forme humide de la DMLA, comme déjà démontré dans des études antérieures, mais pourraient également contribuer et survenir dans des formes précoces de la DMLA, et par conséquent le VEGF représente une cible thérapeutique potentielle pour les maladies associées à des anomalies au niveau de l'EP.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Influence of scatter reduction method and monochromatic beams on image quality and dose in mammography.

In mammography, the image contrast and dose delivered to the patient are determined by the x-ray spectrum and the scatter to primary ratio S/P. Thus the quality of the mammographic procedure is highly dependent on the choice of anode and filter material and on the method used to reduce the amount of scattered radiation reaching the detector. Synchrotron radiation is a useful tool to study the effect of beam energy on the optimization of the mammographic process because it delivers a high flux of monochromatic photons. Moreover, because the beam is naturally flat collimated in one direction, a slot can be used instead of a grid for scatter reduction. We have measured the ratio S/P and the transmission factors for grids and slots for monoenergetic synchrotron radiation. In this way the effect of beam energy and scatter rejection method were separated, and their respective importance for image quality and dose analyzed. Our results show that conventional mammographic spectra are not far from optimum and that the use of a slot instead of a grid has an important effect on the optimization of the mammographic process. We propose a simple numerical model to quantify this effect.

Carbonic anhydrase activity in primary sensory neurons. II. Influence of environmental factors on the phenotypic expression of the enzyme in dissociated cultures of chicken dorsal root ganglion cells.

Neuronal subpopulations of dorsal root ganglion (DRG) cells in the chicken exhibit carbonic anhydrase (CA) activity. To determine whether CA activity is expressed by DRG cells maintained in in vitro cultures, dissociated DRG cells from 10-day-old chick embryos were cultured on a collagen substrate. The influence exerted by environmental factors on the enzyme expression was tested under various conditions of culture. Neuron-enriched cell cultures and mixed DRG-cell cultures (including numerous non-neuronal cells) were performed either in a defined medium or in a horse serum-supplemented medium. In all the tested conditions, subpopulations of cultured sensory neurons expressed CA activity in their cell bodies, while their neurites were rarely stained; in each case, the percentage of CA-positive neurons declined with the age of the cultures. The number and the persistence of neurons possessing CA activity as well as the intensity of the reaction were enhanced by addition of horse serum. In contrast, the expression of the neuronal CA activity was not affected by the presence of non-neuronal cells or by the rise of CO2 concentration. Thus, the appearance and disappearance of neuronal subpopulations expressing CA activity may be decisively influenced by factors contained in the horse serum. The loss of CA-positive neurons with time could result from a cell selection or from genetic repression. Analysis of the time curves does not support a preferential cell death of CA-positive neurons but suggests that the eventual conversion of CA-positive neurons into CA-negative neurons results from a loss of the enzyme activity. These results indicate that the phenotypic expression of cultured sensory neurons is dependent on defined environmental factors.

Polyhydroxyalknoate synthesis in plants as a tool for biotechnology and basic studies of lipid metabolism.

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are polyesters of hydroxyacids naturally synthesized in bacteria as a carbon reserve. PHAs have properties of biodegradable thermoplastics and elastomers and their synthesis in crop plants is seen as an attractive system for the sustained production of large amounts of polymers at low cost. A variety of PHAs having different physical properties have now been synthesized in a number of transgenic plants, including Arabidopsis thaliana, rape and corn. This has been accomplished through the creation of novel metabolic pathways either in the cytoplasm, plastid or peroxisome of plant cells. Beyond its impact in biotechnology, PHA production in plants can also be used to study some fundamental aspects of plant metabolism. Synthesis of PHA can be used both as an indicator and a modulator of the carbon flux to pathways competing for common substrates, such as acetyl-coenzyme A in fatty acid biosynthesis or 3-hydroxyacyl-coenzyme A in fatty acid degradation. Synthesis of PHAs in plant peroxisome has been used to demonstrate changes in the flux of fatty acids to the beta-oxidation cycle in transgenic plants and mutants affected in lipid biosynthesis, as well as to study the pathway of degradation of unusual fatty acids.

AltitudeOmics: enhanced cerebrovascular reactivity and ventilatory response to CO2 with high-altitude acclimatization and reexposure.

The present study is the first to examine the effect of high-altitude acclimatization and reexposure on the responses of cerebral blood flow and ventilation to CO2. We also compared the steady-state estimates of these parameters during acclimatization with the modified rebreathing method. We assessed changes in steady-state responses of middle cerebral artery velocity (MCAv), cerebrovascular conductance index (CVCi), and ventilation (V(E)) to varied levels of CO2 in 21 lowlanders (9 women; 21 ± 1 years of age) at sea level (SL), during initial exposure to 5,260 m (ALT1), after 16 days of acclimatization (ALT16), and upon reexposure to altitude following either 7 (POST7) or 21 days (POST21) at low altitude (1,525 m). In the nonacclimatized state (ALT1), MCAv and V(E) responses to CO2 were elevated compared with those at SL (by 79 ± 75% and 14.8 ± 12.3 l/min, respectively; P = 0.004 and P = 0.011). Acclimatization at ALT16 further elevated both MCAv and Ve responses to CO2 compared with ALT1 (by 89 ± 70% and 48.3 ± 32.0 l/min, respectively; P < 0.001). The acclimatization gained for V(E) responses to CO2 at ALT16 was retained by 38% upon reexposure to altitude at POST7 (P = 0.004 vs. ALT1), whereas no retention was observed for the MCAv responses (P > 0.05). We found good agreement between steady-state and modified rebreathing estimates of MCAv and V(E) responses to CO2 across all three time points (P < 0.001, pooled data). Regardless of the method of assessment, altitude acclimatization elevates both the cerebrovascular and ventilatory responsiveness to CO2. Our data further demonstrate that this enhanced ventilatory CO2 response is partly retained after 7 days at low altitude.

Impact of unusual fatty acid synthesis on futile cycling through beta-oxidation and on gene expression in transgenic plants.

Arabidopsis expressing the castor bean (Ricinus communis) oleate 12-hydroxylase or the Crepis palaestina linoleate 12-epoxygenase in developing seeds typically accumulate low levels of ricinoleic acid and vernolic acid, respectively. We have examined the presence of a futile cycle of fatty acid degradation in developing seeds using the synthesis of polyhydroxyalkanoate (PHA) from the intermediates of the peroxisomal beta-oxidation cycle. Both the quantity and monomer composition of the PHA synthesized in transgenic plants expressing the 12-epoxygenase and 12-hydroxylase in developing seeds revealed the presence of a futile cycle of degradation of the corresponding unusual fatty acids, indicating a limitation in their stable integration into lipids. The expression profile of nearly 200 genes involved in fatty acid biosynthesis and degradation has been analyzed through microarray. No significant changes in gene expression have been detected as a consequence of the activity of the 12-epoxygenase or the 12-hydroxylase in developing siliques. Similar results have also been obtained for transgenic plants expressing the Cuphea lanceolata caproyl-acyl carrier protein thioesterase and accumulating high amounts of caproic acid. Only in developing siliques of the tag1 mutant, deficient in the accumulation of triacylglycerols and shown to have a substantial futile cycling of fatty acids toward beta-oxidation, have some changes in gene expression been detected, notably the induction of the isocitrate lyase gene. These results indicate that analysis of peroxisomal PHA is a better indicator of the flux of fatty acid through beta-oxidation than the expression profile of genes involved in lipid metabolism.