A link between FXYD3 (Mat-8)-mediated Na,K-ATPase regulation and differentiation of Caco-2 intestinal epithelial cells.

FXYD3 (Mat-8) proteins are regulators of Na,K-ATPase. In normal tissue, FXYD3 is mainly expressed in stomach and colon, but it is also overexpressed in cancer cells, suggesting a role in tumorogenesis. We show that FXYD3 silencing has no effect on cell proliferation but promotes cell apoptosis and prevents cell differentiation of human colon adenocarcinoma cells (Caco-2), which is reflected by a reduction in alkaline phosphatase and villin expression, a change in several other differentiation markers, and a decrease in transepithelial resistance. Inhibition of cell differentiation in FXYD3-deficient cells is accompanied by an increase in the apparent Na+ and K+ affinities of Na,K-ATPase, reflecting the absence of Na,K-pump regulation by FXYD3. In addition, we observe a decrease in the maximal Na,K-ATPase activity due to a decrease in its turnover number, which correlates with a change in Na,K-ATPase isozyme expression that is characteristic of cancer cells. Overall, our results suggest an important role of FXYD3 in cell differentiation of Caco-2 cells. One possibility is that FXYD3 silencing prevents proper regulation of Na,K-ATPase, which leads to perturbation of cellular Na+ and K+ homeostasis and changes in the expression of Na,K-ATPase isozymes, whose functional properties are incompatible with Caco-2 cell differentiation.

Association with {beta}-COP regulates the trafficking of the newly synthesized Na,K-ATPase.

Plasma membrane expression of the Na,K-ATPase requires assembly of its α- and β-subunits. Using a novel labeling technique to identify Na,K-ATPase partner proteins, we detected an interaction between the Na,K-ATPase α-subunit and the coat protein, β-COP, a component of the COP-I complex. When expressed in the absence of the Na,K-ATPase β-subunit, the Na,K-ATPase α-subunit interacts with β-COP, is retained in the endoplasmic reticulum, and is targeted for degradation. In the presence of the Na,K-ATPase β-subunit, the α-subunit does not interact with β-COP and traffics to the plasma membrane. Pulse-chase experiments demonstrate that in cells expressing both the Na,K-ATPase α- and β-subunits, newly synthesized α-subunit associates with β-COP immediately after its synthesis but that this interaction does not constitute an obligate intermediate in the assembly of the α- and β-subunits to form the pump holoenzyme. The interaction with β-COP was reduced by mutating a dibasic motif at Lys(54) in the Na,K-ATPase α-subunit. This mutant α-subunit is not retained in the endoplasmic reticulum and reaches the plasma membrane, even in the absence of Na,K-ATPase β-subunit expression. Although the Lys(54) α-subunit reaches the cell surface without need for β-subunit assembly, it is only functional as an ion-transporting ATPase in the presence of the β-subunit.

High-level molecular diversity of copper-zinc superoxide dismutase genes among and within species of arbuscular Mycorrhizal fungi.

In the ecologically important arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), Sod1 encodes a functional polypeptide that confers increased tolerance to oxidative stress and that is upregulated inside the roots during early steps of the symbiosis with host plants. It is still unclear whether its expression is directed at scavenging reactive oxygen species (ROS) produced by the host, if it plays a role in the fungus-host dialogue, or if it is a consequence of oxidative stress from the surrounding environment. All these possibilities are equally likely, and molecular variation at the Sod1 locus can possibly have adaptive implications for one or all of the three mentioned functions. In this paper, we analyzed the diversity of the Sod1 gene in six AMF species, as well as 14 Glomus intraradices isolates from a single natural population. By sequencing this locus, we identified a large amount of nucleotide and amino acid molecular diversity both among AMF species and individuals, suggesting a rapid divergence of its codons. The Sod1 gene was monomorphic within each isolate we analyzed, and quantitative PCR strongly suggest this locus is present as a single copy in G. intraradices. Maximum-likelihood analyses performed using a variety of models for codon evolution indicated that a number of amino acid sites most likely evolved under the regime of positive selection among AMF species. In addition, we found that some isolates of G. intraradices from a natural population harbor very divergent orthologous Sod1 sequences, and our analysis suggested that diversifying selection, rather than recombination, was responsible for the persistence of this molecular diversity within the AMF population.

Role of Na+-K+-ATPase in insulin-induced lactate release by skeletal muscle.

Hyperinsulinemia increases lactate release by various organs and tissues. Whereas it has been shown that aerobic glycolysis is linked to Na+-K+-ATPase activity, we hypothesized that stimulation by insulin of skeletal muscle Na+-K+-ATPase is responsible for increased muscle lactate production. To test this hypothesis, we assessed muscle lactate release in healthy volunteers from the [13C]lactate concentration in the effluent dialysates of microdialysis probes inserted into the tibialis anterior muscles on both sides and infused with solutions containing 5 mmol/l [U-13C]glucose. On one side, the microdialysis probe was intermittently infused with the same solution additioned with 2.10(-5) M ouabain. In the basal state, [13C]lactate concentration in the dialysate was not affected by ouabain. During a euglycemic-hyperinsulinemic clamp, [13C]lactate concentration increased by 135% in the dialysate without ouabain, and this stimulation was nearly entirely reversed by ouabain (56% inhibition compared with values in the dialysate collected from the contralateral probe). These data indicate that insulin stimulates muscle lactate release by activating Na+-K+-ATPase in healthy humans.

Plasma membrane H+-ATPase regulation is required for auxin gradient formation preceding phototropic growth.

Phototropism is a growth response allowing plants to align their photosynthetic organs toward incoming light and thereby to optimize photosynthetic activity. Formation of a lateral gradient of the phytohormone auxin is a key step to trigger asymmetric growth of the shoot leading to phototropic reorientation. To identify important regulators of auxin gradient formation, we developed an auxin flux model that enabled us to test in silico the impact of different morphological and biophysical parameters on gradient formation, including the contribution of the extracellular space (cell wall) or apoplast. Our model indicates that cell size, cell distributions, and apoplast thickness are all important factors affecting gradient formation. Among all tested variables, regulation of apoplastic pH was the most important to enable the formation of a lateral auxin gradient. To test this prediction, we interfered with the activity of plasma membrane H(+)-ATPases that are required to control apoplastic pH. Our results show that H(+)-ATPases are indeed important for the establishment of a lateral auxin gradient and phototropism. Moreover, we show that during phototropism, H(+)-ATPase activity is regulated by the phototropin photoreceptors, providing a mechanism by which light influences apoplastic pH.

Copper acquisition by the SenC protein regulates aerobic respiration in Pseudomonas aeruginosa PAO1.

Aerobic respiration of Pseudomonas aeruginosa involves four terminal oxidases belonging to the heme-copper family (that is, three cytochrome c oxidases and one quinol oxidase) plus one copper-independent, cyanide-insensitive quinol oxidase (CIO). The PA0114 gene encoding an SCO1/SenC-type protein, which is known to be important for copper delivery to cytochrome c in yeast, Rhodobacter spp. and Agrobacterium tumefaciens, was found to be important for copper acquisition and aerobic respiration in P. aeruginosa. A PA0114 (senC) mutant grew poorly in low-copper media and had low cytochrome cbb(3)-type oxidase activity, but expressed CIO at increased levels, by comparison with the wild-type PAO1. Addition of copper reversed these phenotypes, suggesting that periplasmic copper capture by the SenC protein helps P. aeruginosa to adapt to copper deprivation.

Monophyly of beta-tubulin and H+-ATPase gene variants in Glomus intraradices: consequences for molecular evolutionary studies of AM fungal genes.

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are an ecologically important group of fungi. Previous studies showed the presence of divergent copies of beta-tubulin and V-type vacuolar H+-ATPase genes in AMF genomes and suggested horizontal gene transfer from host plants or mycoparasites to AMF. We sequenced these genes from DNA isolated from an in vitro cultured isolate of Glomus intraradices that was free of any obvious contaminants. We found two highly variable beta-tubulin sequences and variable H+-ATPase sequences. Despite this high variation, comparison of the sequences with those in gene banks supported a glomeromycotan origin of G. intraradices beta-tubulin and H+-ATPase sequences. Thus, our results are in sharp contrast with the previously reported polyphyletic origin of those genes. We present evidence that some highly divergent sequences of beta-tubulin and H+-ATPase deposited in the databases are likely to be contaminants. We therefore reject the prediction of horizontal transfer to AMF genomes. High differences in GC content between glomeromycotan sequences and sequences grouping in other lineages are shown and we suggest they can be used as an indicator to detect such contaminants. H+-ATPase phylogeny gave unexpected results and failed to resolve fungi as a natural group. beta-Tubulin phylogeny supported Glomeromeromycota as sister group of the Chytridiomycota. Contrasts between our results and trees previously generated using rDNA sequences are discussed.

Control of transepithelial Na+ transport and Na-K-ATPase by oxytocin and aldosterone.

Short- and long-term effect of oxytocin on Na+ transport and Na-K-ATPase biosynthesis in the toad bladder, and the potential interaction of this hormone with aldosterone have been studied, leading to the following observations. An early Na+ transport response (oxytocin, 50 mU/ml) peaked at 10-15 min of hormone addition. At maximal stimulation a three- to fourfold increase in Na+ transport was observed, a sustained Na+ transport response (about two-fold control base line) was observed as long as the hormone was present in the medium and for up to 20 h of incubation. Pretreatment for 30 min with actinomycin D (2 micrograms/ml) did not inhibit the early response, but significantly impaired the sustained response, suggesting that de novo protein synthesis was required. The simultaneous addition of the two hormones led within 60 min to a marked potentiation of the action on Na+ transport. This synergism could be mimicked by exogenous cyclic adenosine monophosphate (cAMP). Oxytocin alone (18 h exposure, 50 mU/ml) increased the relative rate of synthesis of both alpha and beta subunits of Na-K-ATPase (1.9- and 1.6-fold, respectively; P less than 0.05), whereas aldosterone (80 nM) increased the relative rate of synthesis of the same subunits (2.6- and 2.2-fold, respectively; P less than 0.02). Finally, in contrast to what was observed at the physiological level, the interaction of oxytocin and aldosterone did not lead to a similar potentiation at the biochemical level, i.e., induction of Na-K-ATPase biosynthesis (2.7- and 2.9-fold, for alpha and beta subunits, respectively; P less than 0.025).

Inhibition of Na(+)-K(+)-ATPase by digoxin and its relation with energy expenditure and nutrient oxidation rate.

This study investigates the effects of digoxin, an inhibitor of the Na+ pump (Na(+)-K(+)-ATPase), on resting metabolic rate (RMR), respiratory quotient (RQ), and nutrient oxidation rate. Twelve healthy male subjects followed a double-blind protocol design and received either 1 mg/day digoxin or a placebo 2 days before indirect calorimetry measurements. Digoxin induced a 0.22 +/- 0.07 kJ/min or 3.8 +/- 1.5% (mean +/- SE, P = 0.01) decrease in RMR and a 0.40 +/- 0.13 kJ/min (P = 0.01) decrease in fat oxidation rate, whereas carbohydrate and protein oxidation rates did not change significantly. A dose-response relationship between serum digoxin and RQ was observed. These results suggest that digoxin reduces not only RMR but also fat oxidation rate by mechanisms that remain to be elucidated. Because a linkage and an association between genes coding the Na(+)-K(+)-ATPase and the RQ have been previously observed, the present demonstration of an effect of Na(+)-K(+)-ATPase inhibition on fat oxidation rate strengthens the concept that the activity of this enzyme may play a role in body weight regulation.

Étude du mécanisme de transport des cations par la Na, K-ATPase et de son implication dans la migraine familiale hémiplégique de type 2

Résumé La Na,K-ATPase est une protéine transmembranaire, présente dans toutes les cellules de mammifères et indispensable à la viabilité cellulaire. Elle permet le maintien des gradients sodiques et potassiques à l'origine du potentiel membranaire en transportant 3 Na+ en dehors de la cellule contre 2 K+, grâce à l'énergie fournie par l'hydrolyse d'une molécule d'ATP. Le potentiel membranaire est indispensable au maintien de l'excitabilité cellulaire et à la transmission de l'influx nerveux. Il semblerait que la Na,K-ATPase soit liée à l'hypertension et à certains troubles neurologiques comme la Migraine Familiale Hémiplégique (1VIFH). La MFH est une forme de migraine avec aura, qui se caractérise par une hémiparésie. Cette forme de migraine est très rare. Elle se transmet génétiquement sur un mode autosomique dominant. Plusieurs mutations localisées dans le gène de la Na,K-ATPase ont été identifiées durant ces 3 dernières années. C'est la première fois qu'une maladie génétique est associée au gène de la Na,K-ATPase. La compréhension du fonctionnement de cette protéine peut donner des informations sur les mécanismes conduisant à ces pathologies. On sait que la fonction d'une protéine est liée à sa structure. L'étude de sa fonction nécessite donc l'étude de sa structure. Alors que la structure de la SERCA a été déterminée à haute résolution, par cristallographie, celle de la Na,K-ATPase ne l'est toujours pas. Mais ces 2 ATPases présentent une telle homologie qu'un modèle de la Na,K-ATPase a pu être élaboré à partir de la structure de la SERCA. Les objectifs de cette étude sont d'une part, de comprendre le contrôle de l'accessibilité du K+ extracellulaire àses sites de liaison. Pour cela, nous avons ciblé cette étude sur la 2ìème et la 31eme boucle extracellulaire, qui relient respectivement les segments transmembranaires (STM) 3-4 et 5-6. Le choix s'est porté sur ces 2 boucles car elles bordent le canal des cations formés des 4ième' Sième et 6'ème hélices. D'autre part, nous avons également essayer de comprendre les effets des mutations, liées à la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2 (MFH2), sur la fonctionnalité de la Na,K-ATPase. Alors que les STM et les domaines cytoplasmiques sont relativement proches entre la Na,KATPase et la SERCA, les boucles extracellulaires présentent des différences. Le modèle n'est donc pas une approche fiable pour déterminer la structure et la fonction des régions extracellulaires. Nous avons alors utilisé une approche fonctionnelle faisant appel à la mutation dirigée puis à l'étude de l'activité fonctionnelle de la Na,K ATPase par électrophysiologie sur des ovocytes de Xenopus. En conclusion, nous pouvons dire que la troisième boucle extracellulaire participerait à la structure de la voie d'entrée des cations et que la deuxième boucle extracellulaire semble impliquée dans le contrôle de l'accessibilité des ions K+àses sites de liaison. Concernant les mutations associées à la MFH2, nos résultats ont montré une forte diminution de l'activité fonctionnelle de la pompe Na,K, inférieure aux conditions physiologiques de fonctionnement, et pour une des mutations nous avons observés une diminution de l'affmité apparente au K+ externe. Nous poumons faire l'hypothèse que l'origine pathologique de la migraine est liée à une diminution de l'activité de la pompe à Na+. Summary The Na,K-ATPase is a transmembrane protein, present in all mammalian cells and is necessary for the viability of the cells. It maintains the gradients of Na+ and K+ involved in the membrane potential, by transporting 3Na+ out the cell, and 2K+ into the cell, using the energy providing from one ATP molecule hydrolysis. The membrane potential is necessary for the cell excitability and for the transmission of the nervous signal. Some evidence show that Na,K-ATPase is involved in hypertension and neurological disorders like the Familial Hemiplegic Migraine (FHM). La FHM is a rare form of migraine characterised by aura and hemiparesis and an autosomal dominant transmission. Several mutations linked to the Na,KATPase gene have been identified during these 3 last years. It's the first genetic disorder associated with the Na,K-ATPase gene. Understand the function of this protein is important to elucidate the mechanisms implicated in these pathologies. The function of a protein is linked with its structure. Thus, to know the function of a protein, we need to know its structure. While the Ca-ATPase (SERCA) has been crystallised with a high resolution, the structure of the Na,K-ATPase is not known. Because of the great homology between these 2 ATPases, a model of the Na,K-ATPase was realised by comparing with the structure of the SERCA. The aim of this study is on one side, understand the control of the extracellular K+ accessibility to their binding sites. Because of theirs closed proximity with the cation pathway, located between the 4th, 5th and 6th helices, we have targeted this study on the 2nd and the 3rd extracellular loops linking respectively the transmembrane segment (TMS) 3 and 4, and the TMS 5 and 6. And on the other side, we have tried to understand the functional effects of mutations linked with the Familial Hemiplegic Migraine Type 2 (FHM2). In contrast with the transmembrane segments and the cytoplasmic domains, the extracellular loops show lots of difference between Na,K-ATPase and SERCA, the model is not a good approach to know the structure and the function of the extracellular loops. Thus, we have used a functional approach consisting in directed mutagenesis and the study of the functional activity of the Na,K-ATPase by electrophysiological techniques with Xenopus oocytes. In conclusion, we have demonstrated that the third extracellular loop could participate in the structure of the entry of the cations pathway and that the second extracellular loop could control the K+ accessibility to their binding sites. Concerning the mutations associated with the FHM2, our results showed a strong decrease in the functional activity of the Na,K-pump under physiological conditions and for one of mutations, induce a decrease in the apparent external K+ affinity. We could make the hypothesis that the pathogenesis of migraine is related to the decrease in Na,K-pump activity. Résumé au large publique De la même manière que l'assemblage des mots forme des phrases et que l'assemblage des phrases forme des histoires, l'assemblage des cellules forme des organes et l'ensemble des organes constitue les êtres vivants. La fonction d'une cellule dans le corps humain peut se rapprocher de celle d'une usine hydroélectrique. La matière première apportée est l'eau, l'usine électrique va ensuite convertir l'eau en énergie hydraulique pour fournir de l'électricité. Le fonctionnement de base d'une cellule suit le même processus. La cellule a besoin de matières premières (oxygène, nutriments, eau...) pour produire une énergie sous forme chimique, l'ATP. Cette énergie est utilisée par exemple pour contracter les muscles et permet donc à l'individu de se déplacer. Morphologiquement la cellule est une sorte de petit sac rempli de liquide (milieu intracellulaire) baignant elle-même dans le liquide (milieu extracellulaire) composant le corps humain (un adulte est constitué environ de 65 % d'eau). La composition du milieu intracellulaire est différente de celle du milieu extracellulaire. Cette différence doit être maintenue pour que l'organisme fonctionne correctement. Une des différences majeures est la quantité de sodium. En effet il y a beaucoup plus de sodium à l'extérieur qu'à l'intérieur de la cellule. Bien que l'intérieur de la cellule soit isolé de l'extérieur par une membrane, le sodium arrive à passer à travers cette membrane, ce qui a tendance à augmenter la quantité de sodium dans la cellule et donc à diminuer sa différence de concentration entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. Mais dans les membranes, il existe des pompes qui tournent et dont le rôle est de rejeter le sodium de la cellule. Ces pompes sont des protéines connues sous le nom de pompe à sodium ou Na,K-ATPase. On lui attribue le nom de Na,K-ATPase car en réalité elle rejette du sodium (Na) et en échange elle fait entrer dans la cellule du potassium (K), et pour fonctionner elle a besoin d'énergie (ATP). Lorsque les pompes à sodium ne fonctionnent pas bien, cela peut conduire à des maladies. En effet la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2, est une migraine très rare qui se caractérise par l'apparition de la paralysie de la moitié d'un corps avant l'apparition du mal de tête. C'est une maladie génétique (altération qui modifie la fonction d'une protéine) qui touche la pompe à sodium située dans le cerveau. On a découvert que certaines altérations (mutations) empêchent les pompes à sodium de fonctionner correctement. On pense alors que le développement des migraines est en partie dû au fait que ces pompes fonctionnent moins bien. Il est important de bien connaître la fonction de ces pompes car cela permet de comprendre des mécanismes pouvant conduire à certaines maladies, comme les migraines. En biologie, la fonction d'une protéine est étudiée à travers sa structure. C'est pourquoi l'objectif de cette thèse a été d'étudier la structure de la Na,K-ATPase afin de mieux comprendre son mécanisme d'action.

Low molecular weight carboxylic acids in oxidizing porphyry copper tailings

The distribution of low molecular weight carboxylic acids (LMWCA) was investigated in pore water profiles from two porphyry copper tailings impoundments in Chile (Piuquenes at La Andina and Cauquenes at El Teniente mine). The objectives of this study were (1) to determine the distribution of LMWCA, which are interpreted to be the metabolic byproducts of the autotroph microbial community in this low organic carbon system, and (2) to infer the potential role of these acids in cycling of Fe and other elements in the tailings impoundments. The speciation and mobility of iron, and potential for the release of H+ via hydrolysis of the ferric iron, are key factors in the formation of acid mine drainage in sulfidic mine wastes. In the low-pH oxidation zone of the Piuquenes tailings, Fe(III) is the dominant iron species and shows high mobility. LMWCA, which occur mainly between the oxidation front down to 300 cm below the tailings surface at both locations (e.g., max concentrations of 0.12 mmol/L formate, 0.17 mmol/L acetate, and 0.01 mmol/L pyruvate at Piuquenes and 0.14 mmol/L formate, 0.14 mmol/L acetate, and 0.006 mmol/L pyruvate at Cauquenes), are observed at the same location as high Fe concentrations (up to 71.2 mmol/L Fe(II) and 16.1 mmol/L Fe(III), respectively). In this zone, secondary Fe(111) hydroxides are depleted. Our data suggest that LMWCA may influence the mobility of iron in two ways. First, complexation of Fe(III), through formation of bidentate Fe(III)-LMWCA complexes (e.g., pyruvate, oxalate), may enhance the dissolution of Fe(III) (oxy)hydroxides or may prevent precipitation of Fe(III) (oxy)hydroxides. Soluble Fe(III) chelate complexes which may be mobilized downward and convert to Fe(II) by Fe(III) reducing bacteria. Second, monodentate LMWCA (e.g., acetate and formate) can be used by iron-reducing bacteria as electron donors (e.g., Acidophilum spp.), with ferric iron as the electron acceptor. These processes may, in part, explain the low abundances of secondary Fe(III) hydroxide precipitates below the oxidation front and the high concentrations of Fe(II) observed in the pore waters of some low-sulfide systems. The reduction of Fe(III) and the subsequent increase of iron mobility and potential acidity transfer (Fe(II) oxidation can result in the release of H+ in an oxic environment) should be taken in account in mine waste management strategies.

The role of the vacuolar H+ - ATPase in membrane fusion

RésuméLa H+-ATPase vacuolaire (V-ATPase) est un complexe enzymatique composé de deux secteurs multimériques (VQ et Vi) dont l'association dans la cellule est réversible. Le secteur intramembranaire de la V-ATPase (V0) interagit physiquement avec des protéines SNARE et stimule la fusion homotypique des vacuoles de la levure (lysosomes), la sécrétion de neurotransmetteurs et d'insuline, la fusion entre phagosome et lysosome ainsi que la sécrétion des corps multivésiculaires par un mécanisme inconnu. Dans cette étude j'ai identifié des résidues d'acides amines situés dans des sous-unités de V0 impliqués dans le mécanisme de fusion des vacuoles mais non essentiels pour l'acidification vacuolaire par la V-ATPase. j'ai utilisé un protocole de mutagenèse aléatoire pour produire des libraries de mutants des sous unités de V0. Ces libraries ont été analysées in vivo afin d'identifier des alleles qui permettent la translocation des protons mais produisent une vacuole fragmentée, phénotype indiquant un défaut dans la fusion membranaire. Les vacuoles des mutants ont été isolées et caractéisées en utilisant une grande variété d'outils biochimiques pour déterminer précisément l'impact des différentes mutations sur l'accomplissement d'événements clés du processus de fusion.J'ai identifié des mutations associées à des défauts spécifiques de la fusion dans plusieurs sous-unités de V0. Dans les protéolipides c, c' et c" ces mutations se concentrent dans la partie cytosolique des domaines transmembranaires. Elles renforcent les associations entre les secteurs de la V-ATPase et entre V0 et les SNAREs. Dans la fusion vacuolaire ces mutations permettent la formation de complexes SNAREs en trans mais inhibent l'induction de la fusion. Par contre, la deletion de la sous- unité d influence les étapes de la fusion qui précèdent la formation des complexes trans-SNAREs. Mes résultats démontrent que V0 joue des rôles différents dans plusieurs étapes de la fusion et que ces fonctions sont liées au système des SNAREs. Ils différencient génétiquement les activités de V0 dans la translocation des protons et dans la fusion et identifient de nombreux résidus importants pour la fusion vacuolaire. De plus, compte tenu de la grande conservation de sequence des protéolipides chez les eukaryotes les mutations identifiées dans cette l'étude apportent de nouvelles informations pour analyser la fonction de V0 dans des organismes multicellulaires pour lesquels la function catalytique de la V-ATPase est essentielle à la survie.Résumé pour le large publicLe transport de protéines et de membranes est important pour maintenir la fonction des organelles dans la cellule. Il s'excerce au niveau des vesicules. La fusion membranaire est un processus élémentaire de ce transport. Pour fusionner deux membranes, il faut la coordination de deux activités: le rapprochement et la déstabiiization des deux membranes. La collaboration d'un ensemble de proteins conservés chez les eukaryotes, est nécessaire pour catalyser ces activités. Les proteins SNAREs sont les protagonistes principaux dans la fusion membranaire. Néanmoins, d'autres protéines, comme des Rab-GTPases et des chaperonnes, sont nécessaires pour permettre ce phénomène de fusion. Toutes ces protéines sont temporairement associées avec les SNAREs et leur fonction dans la fusion membranaire est souvent directement liée à leur activité dans cette association. Le secteur transmembranaire V0 de la V-ATPase rnteragit avec des SNAREs et est essentiel pour la fusion dans une variété de systèmes modèles comme la mouche, la souris et la levure. Le secteur V0 est composé de six protéines différentes. Avec te secteur Va, qui réside dans le cytosol, il forme la V-ATPase dont la fonction principale est l'acidification des organelles par translocation des protons à travers la membrane par un mécanisme ressemblant à celui d'une pompe. V0joue un role dans la fusion membranaire, indépendamment de son activité catalytique liée au pompage des protons, et ce rôle est encore largement méconnu à ce jour. Le but de ma thèse était de mieux comprendre l'implication de V0 dans ce contexte.Pour étudier des activités liées à la V-ATPase, la levure est un excellent modèle d'étude car elle survie à une inactivation de l'enzyme alors que le meme traitement serait léthal pour des organismes multicellulaires. Dans ma thèse j'ai utilisé la fusion homotypique de la vacuole de levure comme système modèle pour étudier le rôle de V0 dans la fusion. J'ai muté des gènes qui encodent des sous- unités de V0 et les ai introduit dans des souches privées des gènes respectifs. Dans les librairies de souches portant différentes versions de ces gènes j'ai cherché des clones exprimant une V-ATPase intacte et fonctionnelle mais qui possèdent une vacuole fragmentée. Le plus souvent, une vacuole fragmentée indique un défaut dans la fusion vacuolaire. Dans les trois types de protéolipides qui composent un cylindre dans le secteur V0, j'ai trouvé des clones avec une vacuole fragmentée. Après avoir isolé les mutations responsable de ce type de morphologie vacuolaire, j'ai isolé les vacuoles de ces clones pour étudier leur activités dans différentes étapes de la fusion vacuolaire. Les résultats de ces analyses mettent en évidence une implication de V0 dans plusieurs étapes de la fusion vacuolaire. Certaines mutations sélectionnées dans mon étude inhibent une étape précoce de la fusion qui inclue la dissociation des complexes SNARE, tandis que d'autres mutations inhibent une étape tardive du processus de fusion qui inclue la transmission d'une force disruptive dans la membrane.AbstractThe membrane-integral V0 sector of the vacuolar H+-ATPase (V-ATPase) interacts with SNARE proteins. V0 stimulates fusion between yeast vacuoles (lysosomes) (Peters et al., 2001b), secretion of neurotransmitters and insulin (Hiesinger et al., 2005a, Sun-Wada et al., 2006a), phagosome-lysosome fusion (Peri and Nusslein-Volhard, 2008) and secretion of multivesicular bodies (Liegeois et al., 2006b) by a yet unknown mechanism. In my thesis, I identified sites in V0 subunits that are involved in yeast vacuole fusion but dispensable for the proton pumping by the V-ATPase. I randomly mutagenized V0 subunits and screened in vivo for mutant alleles that support proton pumping but cause fragmented vacuoles, a phenotype indicative of a fusion defect. Mutant vacuoles were isolated and analyzed in a cell-free system, allowing assay of key events in fusion, such as trans-SNARE pairing, lipid transition and fusion pore opening (Reese et al., 2005b).Mutants with selective fusion defects were found in several V0 subunits. In the proteolipids c, c' and c", critical mutations are concentated in the cytosolic half of the transmembrane domains. These mutations rendered the V-ATPase holoenzyme more stable and modulated V0-SNARE associations. In vacuole fusion critical proteolipid mutations permitted trans-SNARE pairing but impeded the induction of lipid flow between the membranes. Deletion of subunit d, by contrast, influenced early stages of fusion that precede trans-SNARE pairing. My results show that V0 acts in several steps of the fusion process and that its function is intimately connected to the SNARE system. They genetically separate the proton pump and fusion activities of V0 and identify numerous critical residues. Given the high sequence conservation of proteolipids in eukaryotic life, the identified mutations may be helpful in analyzing the fusion function of V0 also in mammalian cells, where V- ATPase pump function is essential for survival.

Strategies of "Pseudomonas aeruginosa" to overcome copper limitation

Summary Copper is an important trace element and micronutrient for living organisms as it is the cofactor of several enzymes involved in diverse biological redox processes such as aerobic respiration, denitrification and photosynthesis. Despite its importance, copper may be poorly bioavailable in soils and aquatic environments, as well as in the human body, especially at physiological or alkaline pH. In this work, we have investigated the strategies that the versatile bacterium and opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa has evolved to face and overcome copper limitation. The global response of the P. aeruginosa to copper limitation was assessed under aerobic conditions. Numerous iron uptake functions (including the siderophores pyoverdine and pyochelin) were down-regulated whereas expression of cioAB (encoding an alternative, copper-independent, cyanide-resistant ubiquinol oxidase) was up-regulated. Wild type P. aeruginosa was able to grow aerobically in a defined glucose medium depleted of copper by a copper chelator, whereas a cioAB mutant did not grow. Thus, P. aeruginosa relies on the CioAB enzyme to cope with severe copper deprivation. A quadruple cyo cco1 cco2 cox mutant, which was deleted for all known heme-copper terminal oxidases of P. aeruginosa, grew aerobically, albeit more slowly than did the wild type, indicating that the CioAB enzyme is capable of energy conservation. However, the expression of a cioA'-'lacZ fusion was less dependent on the copper status in the quadruple mutant than in the wild type, suggesting that copper availability might affect cioAB expression indirectly, via the function of the heme-copper oxidases. These results suggest that the CioAB enzyme can be used as a by-pass strategy to overcome severe copper limitation and perform aerobic respiration even if virtually no copper is available. The PA0114 gene, which encodes a protein of the SCOT/SenC family, was found to be important for copper acquisition and aerobic respiration in low copper conditions. A PA0114 (sent) mutant grew poorly in low copper media and had low terminal oxidase activity with TMPD (N,N,N',N'-tetramethyl-p-phenylenediamine), but expressed the CioAB enzyme at elevated levels. Addition of copper reversed these phenotypes, suggesting that periplasmic copper capture by the SenC protein is another strategy that helps P. aeruginosa to adapt to copper deprivation. RESUME Le cuivre est un micronutriment important pour les organismes vivants. Il représente le cofacteur de plusieurs enzymes impliquées dans une multitude de processus biologiques tels que la respiration aérobie, la dénitrification et la photosynthèse. Malgré son importance, le cuivre peut être peu disponible dans les sols, les environnements aquatiques et le corps humain, spécialement à pH physiologique ou alcalin. Dans ce travail nous avons étudié les stratégies développées par la bactérie pathogène opportuniste Pseudomonas aeruginosa PAO1 afm de faire face et de surmonter le manque de cuivre. La réponse globale de P. aeruginosa à la carence de cuivre a été analysée dans des conditions aérobie. Les résultats obtenus ont montré que plusieurs gènes impliqués dans l'acquisition du fer, tels que les gènes codant pour les sidérophores (pyoverdine et pyochéline), étaient réprimés, tandis que l'expression de l'opéron cioAB, codant pour l'oxydase terminale insensible au cyanure (CIO), était augmentée. La souche sauvage P. aeruginosa est capable de croître dans un milieu où la concentration en cuivre est limitée, due à la présence d'un chélateur spéciftque de cuivre, tandis que le mutant cioAB ne croît pas dans ces conditions. Nous avons conclu que P. aeruginosa nécessite l'oxydase terminale CIO pour faire face à la carence en cuivre. Un quadruple mutant affecté dans toutes les oxydases dépendantes du cuivre (cyo ccol cco2 cox) et appartenant aux oxydases de type hème-cuivre, peut croître en aérobie, néanmoins plus lentement que la souche sauvage, ce qui montre que l'enzyme CIO est capable de conserver l'énergie. L'expression de la fusion rapportrice cioA'-'IacZ chez le quadruple mutant est moins dépendante de la disponibilité de cuivre que chez la souche sauvage. Ces résultats suggèrent que la disponibilité de cuivre influence l'expression de cioAB d'une façon indirecte, par le biais des oxydases terminales de type héme-cuivre. Il est donc possible qu'en cas de carence de cuivre, P. aeruginosa utilise l'enzyme CIO comme stratégie afin de surmonter ce manque et de réaliser la respiration aérobie. Nous avons démontré que le gène PA0114, codant pour une protéine appartenant à la famille SCO1/SenC, est important dans l'acquisition et dans la respiration aérobie dans des environnements où le cuivre est présent en faible concentration. En ces conditions, la croissance du mutant senC est faible; de plus, l'activité des oxydases terminales en présence du donneur d'électrons TMPD (N,N,N,N'-tetraméthyl-p-phénylenediamine) est basse. Toutefois, l'addition de cuivre au milieu de culture permet de restaurer le phénotype du type sauvage. Ces résultats montrent que la protéine SenC est capable d'acquérir le cuivre et représente donc une autre stratégie chez P. aeruginosa pour s'adapter à un manque de cuivre.

Metal concentrations in soils around the copper smelter and surrounding industrial complex of Port Kembla, NSW, Australia

Anthropogenic emissions of metals from sources such as smelters are an international problem, but there is limited published information on emissions from Australian smelters. The objective of this study was to investigate the regional distribution of heavy metals in soils in the vicinity of the industrial complex of Port Kembla, NSW, Australia, which comprises a copper smelter, steelworks and associated industries. Soil samples (n=25) were collected at the depths of 0-5 and 5-20 cm, air dried and sieved to < 2 mm. Aqua regia extractable amounts of As, Cr, Cu, Ph and Zn were analysed by inductively coupled plasma mass spectrometry (lCP-MS) and inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES). Outliers were identified from background levels by statistical methods. Mean background levels at a depth of 0-5 cm were estimated at 3.2 mg/kg As, 12 mg/kg Cr, 49 mg/kg Cu, 20 mg/kg Ph and 42 mg/kg Zn. Outliers for elevated As and Cu values were mainly present within 4 km from the Port Kembla industrial complex, but high Ph at two sites and high Zn concentrations were found at six sites up to 23 km from Port Kembla. Chromium concentrations were not anomalous close to the industrial complex. There was no significant difference of metal concentrations at depths of 0-5 and 5-20 cm, except for Ph and Zn. Copper and As concentrations in the soils are probably related to the concentrations in the parent rock. From this investigation, the extent of the contamination emanating from the Port Kembla industrial complex is limited to 1-13 km, but most likely <4 km, depending on the element; the contamination at the greater distance may not originate from the industrial complex. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.