An overview of the metabolic differences between Bradyrhizobium japonicum 110 bacteria and differentiated bacteroids from soybean (Glycine max) root nodules: an in vitro 13C- and 31P-nuclear magnetic resonance spectroscopy study.

Bradyrhizobium japonicum is a symbiotic nitrogen-fixing soil bacteria that induce root nodules formation in legume soybean (Glycine max.). Using (13)C- and (31)P-nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, we have analysed the metabolite profiles of cultivated B. japonicum cells and bacteroids isolated from soybean nodules. Our results revealed some quantitative and qualitative differences between the metabolite profiles of bacteroids and their vegetative state. This includes in bacteroids a huge accumulation of soluble carbohydrates such as trehalose, glutamate, myo-inositol and homospermidine as well as Pi, nucleotide pools and intermediates of the primary carbon metabolism. Using this novel approach, these data show that most of the compounds detected in bacteroids reflect the metabolic adaptation of rhizobia to the surrounding microenvironment with its host plant cells.

Regulation of the AKAP-LBC signaling complex : molecular characterization and functional implications

RÉSUMÉ Les protéines d'ancrage de la protéine kinase A (AKAPs) constituent une grande famille de protéines qui ciblent la protéine kinase A (PKA) à proximité de ses substrats physiologiques pour assurer leur régulation. Une nouvelle protéine de cette famille, appelée AKAP-Lbc, a été récemment caractérisée et fonctionne comme un facteur d'échange de nucléotides guanine (GEF) pour la petite GTPase Rho. AKAP-Lbc est régulée par différents signaux qui activent et désactivent son activité Rho-GEF. Son activation est assurée par la sous-unité alpha de la protéine G hétérotrimérique G12, tandis que son inhibition dépend de son interaction avec la PKA et 14-3-3. AKAP-Lbc est principalement exprimée dans le coeur et pourrait réguler des processus importants tels que l'hypertrophie et la différenciation des cardiomyocytes. Ainsi, il est crucial d'élucider les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de son activité Rho-GEF. Le but général de ce travail de thèse est la caractérisation de deux nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation de l'activité de AKAP-Lbc. Le premier mécanisme consiste en la régulation de l'activité de AKAP-Lbc par son homo-oligomérisation. Mes travaux montrent que l'homo-oligomérisation maintient AKAP-Lbc inactive, dans une conformation permettant à la PKA ancrée et à 14-3-3 d'exercer leur effet inhibiteur sur l'activité de AKAP-Lbc. Le second mécanisme concerne la régulation de l'activité de AKAP-Lbc via une nouvelle interaction entre AKAP-Lbc et la protéine LC3. LC3 joue un rôle crucial dans l'autophagie, un processus cellulaire qui adresse les protéines cytoplasmiques au lysosome pour leur dégradation. Ce mécanisme est particulièrement important pour le survie des cardiomyocytes durant les périodes d'absence de nutriments. Mes travaux mettent en évidence que LC3 inhibe l'activité Rho-GEF de AKAP-Lbc, ce qui suggère que, au-delà son rôle bien établi dans l'autophagie, LC3 participerait à la régulation de la signalisation de Rho. Prises ensembles, ces études contribuent à comprendre comment le complexe de signalisation formé par AKAP-Lbc régule la signalisation de Rho dans les cellules. Au-delà de leur intérêt au niveau biochimique, ces travaux pourraient aussi contribuer à élucider les réseaux de signalisation qui régulent des phénomènes physiologiques dans le coeur. ABSTRACT A-kinase anchoring proteins (AKAPs) are a group of functionally related proteins, which target the cAMP dependent protein kinase A (PKA) in close proximity to its physiological substrates for ensuring their regulation. A novel PKA anchoring protein, termed AKAP-Lbc, has been recently characterized, which also functions as a guanine nucleotide exchange factor (GEF) for the small GTPase Rho. AKAP-Lbc is regulated in a bi-directional manner by signals which activate or deactivate its Rho-GEF activity. Activation is mediated by the alpha subunit of the heterotrimeric G protein G12, whereas inhibition occurs following its interaction with PKA and 14-3-3. AKAP-Lbc is predominantly expressed in the heart and might regulate important processes such as hypertrophy and differentiation of cardiomyocytes. Therefore ít is crucial to elucidate the molecular mechanisms involved in the regulation of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. The general aim of the present thesis work is the characterization of two novel molecular mechanisms involved in the regulation of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. The first mechanism consists of the. regulation of AKAP-Lbc activity through its homooligomerization. I report here that homo-oligomerization maintains AKAP-Lbc inactive, under a conformation suitable for ensuring the inhibitory effect of anchored PKA and 14-33 on AKAP-Lbc activity. The second mechanism concerns the regulation of AKAP-Lbc activity through a novel interaction between AKAP-Lbc and ubiquitin-like protein LC3. LC3 is a key mediator of autophagy, which is a cellular process that targets cytosolic proteins to the lysosome for degradation. This process is particularly important for cardiomyocyte survival during conditions of nutrient starvation. Here, I show that LC3 is a negative regulator of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc, which suggests that, beyond its well established role in autophagy, LC3 can participate in the regulation of Rho signaling in cells. Overall, these findings contribute to understand how the AKAP-Lbc signaling complex can regulate the Rho signaling in cells. Beyond its interest at the biochemical level, this work might also contribute to elucidate the signaling network that regulate physiological events in the heart.

Ambiguous nucleotide calls from population-based sequencing of HIV-1 are a marker for viral diversity and the age of infection.

Background. The time passed since the infection of a human immunodeficiency virus (HIV)-infected individual (the age of infection) is an important but often only poorly known quantity. We assessed whether the fraction of ambiguous nucleotides obtained from bulk sequencing as done for genotypic resistance testing can serve as a proxy of this parameter. Methods. We correlated the age of infection and the fraction of ambiguous nucleotides in partial pol sequences of HIV-1 sampled before initiation of antiretroviral therapy (ART). Three groups of Swiss HIV Cohort Study participants were analyzed, for whom the age of infection was estimated on the basis of Bayesian back calculation (n = 3,307), seroconversion (n = 366), or diagnoses of primary HIV infection (n = 130). In addition, we studied 124 patients for whom longitudinal genotypic resistance testing was performed while they were still ART-naive. Results. We found that the fraction of ambiguous nucleotides increased with the age of infection with a rate of .2% per year within the first 8 years but thereafter with a decreasing rate. We show that this pattern is consistent with population-genetic models for realistic parameters. Finally, we show that, in this highly representative population, a fraction of ambiguous nucleotides of >.5% provides strong evidence against a recent infection event < 1 year prior to sampling (negative predictive value, 98.7%). Conclusions. These findings show that the fraction of ambiguous nucleotides is a useful marker for the age of infection.

Light-mediated polarization of the PIN3 auxin transporter for the phototropic response in Arabidopsis.

Phototropism is an adaptation response, through which plants grow towards the light. It involves light perception and asymmetric distribution of the plant hormone auxin. Here we identify a crucial part of the mechanism for phototropism, revealing how light perception initiates auxin redistribution that leads to directional growth. We show that light polarizes the cellular localization of the auxin efflux carrier PIN3 in hypocotyl endodermis cells, resulting in changes in auxin distribution and differential growth. In the dark, high expression and activity of the PINOID (PID) kinase correlates with apolar targeting of PIN3 to all cell sides. Following illumination, light represses PINOID transcription and PIN3 is polarized specifically to the inner cell sides by GNOM ARF GTPase GEF (guanine nucleotide exchange factor)-dependent trafficking. Thus, differential trafficking at the shaded and illuminated hypocotyl side aligns PIN3 polarity with the light direction, and presumably redirects auxin flow towards the shaded side, where auxin promotes growth, causing hypocotyls to bend towards the light. Our results imply that PID phosphorylation-dependent recruitment of PIN proteins into distinct trafficking pathways is a mechanism to polarize auxin fluxes in response to different environmental and endogenous cues.

Anchoring of both PKA and 14-3-3 inhibits the Rho-GEF activity of the AKAP-Lbc signaling complex.

A-kinase anchoring proteins (AKAPs) target the cAMP-regulated protein kinase (PKA) to its physiological substrates. We recently identified a novel anchoring protein, called AKAP-Lbc, which functions as a PKA-targeting protein as well as a guanine nucleotide exchange factor (GEF) for RhoA. We demonstrated that AKAP-Lbc Rho-GEF activity is stimulated by the alpha subunit of the heterotrimeric G protein G12. Here, we identified 14-3-3 as a novel regulatory protein interacting with AKAP-Lbc. Elevation of the cellular concentration of cAMP activates the PKA holoenzyme anchored to AKAP-Lbc, which phosphorylates the anchoring protein on the serine 1565. This phosphorylation event induces the recruitment of 14-3-3, which inhibits the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. AKAP-Lbc mutants that fail to interact with PKA or with 14-3-3 show a higher basal Rho-GEF activity as compared to the wild-type protein. This suggests that, under basal conditions, 14-3-3 maintains AKAP-Lbc in an inactive state. Therefore, while it is known that AKAP-Lbc activity can be stimulated by Galpha12, in this study we demonstrated that it is inhibited by the anchoring of both PKA and 14-3-3.

Translation of polarity cues into asymmetric spindle positioning in "Caenorhabditis elegans"

Abstract: Asymmetric cell division is important to generate tissue diversity. The Caenorhabditis elegans embryo is well suited to study the mechanisms of asymmetric cell division. In wild type one-cell stage embryos, the spindle sets up along the anterior-posterior axis (AP). During anaphase, the spindle elongates. While the anterior spindle pole is relatively immobile, the posterior spindle pole moves towards the posterior cortex during anaphase leading to an asymmetric spindle position. As a result, the first cleavage gives rise to a large anterior blastomere and a smaller posterior one, which differs also in cell fate determinants. This posterior spindle displacement occurs in response to polarity cues set up along the AP axis by the PAR proteins and is due to imbalanced pulling forces acting on the two spindle poles, with net forces acting on the posterior spindle pole being more extensive than those at the anterior one. The project of my thesis was to characterize the involvement of two new components, gpr-1 and gpr-2, in spindle positioning. These genes encode essentially identical proteins containing a GoLoco motif characteristic of proteins interacting with α subunits of heterotrimeric G protein (Gα). In gpr-1/2(RNAi) embryos and in embryos lacking simultaneously two α subunits, goa-1 and gpa-16, (Ga(RNAi) embryos), there is a minimal posterior displacement of the spindle during anaphase, and the first division is equal. I found that the pulling forces acting on the two spindle poles is weak and equal in gpr-1/2(RNAi) and Gα (RNAi) embryos. I found that GPR-1/2 acts downstream of polarity cues for generation of pulling forces. Furthermore, I showed that GPR-1/2 distribution was enriched at the posterior cortex during metaphase whereas GOA-1 and GPA-16 were uniformly distributed at the cell cortex throughout the cell cycle. Gα subunits oscillate between GDP- and GTP-bound forms. Gα signaling is turned on by GDP/GTP exchange catalyzed by guanine nucleotide exchange factors (GEFs) and turned off by hydrolysis of GTP catalyzed by GTPase activating proteins (GAPs). A third class of proteins, the guanine dissociation inhibitors (GDIs), binds the GDP-bound form of Gα subunits and inhibits nucleotide exchange. I found that GPR-1/2 acts as a GDI for GOA-1. Taken together, my findings suggest a model in which differential activation of Gα subunits along the AP axis may translate into generation of differential pulling forces on the anterior and posterior spindle poles, and, thus, asymmetric cell division. Résumé L'embryon du nématode Caenorhabditis elegans est un modèle approprié pour étudier les mécanismes de la division asymétrique. Chez l'embryon précoce, le fuseau mitotique se forme le long de l'axe antéro-postérieur (A/P) et au centre de l'embryon, le pôle antérieur restant relativement immobile alors que le pôle postérieur du fuseau se déplace vers le cortex postérieur au cours de l'anaphase conduisant à une position excentrée du fuseau. 11 en résulte une première division qui génère un blastomère antérieur et postérieur de grande et petite taille respectivement et qui diffèrent en facteurs développementaux. Ce déplacement postérieur se produit en réponse de la polarité établie par la distribution polarisée des protéines PAR et est le résultat de la génération de forces inégales tirant sur les deux pôles du fuseau, les forces agissant sur le pôle postérieur du fuseau étant plus grandes. Le projet de ma thèse était d'identifier la fonction de deux nouveaux constituants, gpr-1 et gpr-2 dans le positionnement asymétrique du fuseau. Ces gènes codent essentiellement pour la même protéine qui contient un motif GoLoco, caractéristique des protéines interagissant avec la sous-unité alpha des protéines G hétérotrimériques. Chez l'embryon gpr-1/2(RNAi) et chez les embryons dépourvus d'activité de deux sous-unités alpha, goa-1 et gpa-16, (Gα(RNAi)), j'ai montré qu'il y avait un déplacement minimal du fuseau vers le pôle postérieur au cours de l'anaphase et la première division est symétrique en raison de forces faibles et égales agissant sur les deux pôles du fuseau. J'ai également montré que gpr-1/2 était requis en aval des signaux établissant la polarité pour générer les forces responsables du positionnement asymétrique du fuseau. De plus, j'ai montré que GPR-1/2 était enrichi au pôle postérieur lors de la métaphase alors que GOA-1 et GPA-16 étaient localisés de façon uniforme au cortex de l'embryon précoce. Gas oscillent entre une forme liée au GDP et une forme liée au GTP. La signalisation des Gas est activée par l'échange GDP/GTP qui est catalysé par des protéines GEFs. La signalisation des Gas est désactivée par l'hydrolyse du GTP qui est catalysée par des protéines GAPs. Une troisième classe de protéines, GDIs lie la forme GDP et inhibe l'échange de nucléotides. J'ai montré que GPR-1/2 agissait comme un GDI pour GOA-1. Mes résultats suggèrent un modèle dans lequel une activation différentielle des Gα le long de l'axe A/P pourrait générer des forces différentielles sur le pôle antérieur et postérieur du fuseau.

Study of biomacromolecule conformational changes by Scanning Force Microscopy

L?objectif de ce travail de thèse est l?étude des changements conformationels des biomacromolecules à l?échelle d?une molécule unique. Pour cela on a utilisé la Microscopie à Force Atomique (AFM) appliqué à l?étude des protéines et des acides nucléiques déposés sur une surface. Dans ce type de microscopie, une pointe très fine attachée à l?extrémité d?un levier est balayée au dessus d?une surface. L?interaction de la pointe avec la surface de l?échantillon induit la déflection du levier et ce phénomène permet de reconstruire la topographie de l?échantillon. Très importante dans cette technique est la possibilité de travailler en liquide. Cela permet de étudier les biomolécules en conditions quasi-physiologiques sans qu?elles perdent leur activité. On a étudié GroEL, la chaperonin de E.coli, qui est un homo oligomère avec une structure à double anneau qui joue un rôle très important dans le repliement des protéines dénaturées et celles qui viennent d?être synthétisées. En particulier on a focalisé notre attention sur la stabilité mécanique et sur les changements conformationels qui ont lieu pendant l?activité de GroEL. Une analyse détaillée des changements dans la stabilité mécanique et des effets produits par la liaison et l?hydrolyse de l?ATP est présentée dans ce travail. On a montré que le point le plus faible dans la structure de GroEL est l?interface entre les deux anneaux et que l?étape critique dans l?affaiblissement de la structure est l?hydrolyse de l?ATP. En ce qui concerne le changement conformationel, le passage d?une surface hydrophobe à hydrophile, induit par l?hydrolyse de l?ATP, a été montré. Ensuite on a étudié le changement dans la conformation et dans la topologie de l?ADN résultant de l?interaction avec des molécules spécifiques et en réponse à l?exposition des cellules de E.coli à des conditions de stress. Le niveau de surenroulement est un paramètre très sensible, de façon variée, à tous ces facteurs. Les cellules qui ont crus à de températures plus élevées que leur température optimale ont la tendance à diminuer le nombre de surenroulements négatif pour augmenter la stabilité thermique de leur plasmides. L?interaction avec des agents intercalant induit une transition d?un surenroulement négatif à un surenroulement positif d?une façon dépendante de la température. Finalement, l?effet de l?interaction de l?ADN avec des surfaces différentes a été étudié et une application pratique sur les noeuds d?ADN est présentée.<br/><br/>The aim of the present thesis work is to study the conformational changes of biomacromolecules at the single molecule level. To that end, Atomic Force Microcopy (AFM) imaging was performed on proteins and nucleic acids adsorbed onto a surface. In this microcopy technique a very sharp tip attached at the end of a soft cantilever is scanned over a surface, the interaction of the tip with the sample?s surface will induce the deflection of the cantilever and thus it will make possible to reconstruct the topography. A very important feature of AFM is the possibility to operate in liquid, it means with the sample immersed in a buffer solution. This allows one to study biomolecules in quasi-physiological conditions without loosing their activity. We have studied GroEL, the chaperonin of E.coli, which is a double-ring homooligomer which pays a very important role in the refolding of unfolded and newly synthetized polypeptides. In particular we focus our attention on its mechanical stability and on the conformational change that it undergoes during its activity cycle. A detailed analysis of the change in mechanical stability and how it is affected by the binding and hydrolysis of nucleotides is presented. It has been shown that the weak point of the chaperonin complex is the interface between the two rings and that the critical step to weaken the structure is the hydrolysis of ATP. Concerning the conformational change we have directly measured, with a nanometer scale resolution, the switching from a hydrophobic surface to a hydrophilic one taking place inside its cavity induced by the ATP hydrolysis. We have further studied the change in the DNA conformation and topology as a consequence of the interaction with specific DNA-binding molecules and the exposition of the E.coli cells to stress conditions. The level of supercoiling has been shown to be a very sensitive parameter, even if at different extents, to all these factors. Cells grown at temperatures higher than their optimum one tend to decrease the number of the negative superhelical turns in their plasmids in order to increase their thermal stability. The interaction with intercalating molecules induced a transition from positive to negative supercoiling in a temperature dependent way. The effect of the interaction of the DNA with different surfaces has been investigated and a practical application to DNA complex knots is reported.<br/><br/>Observer les objets biologiques en le touchant Schématiquement le Microscope a Force Atomique (AFM) consiste en une pointe très fine fixée a l?extrémité d?un levier Lors de l?imagerie, la pointe de l?AFM gratte la surface de l?échantillon, la topographie de celui-ci induit des déflections du levier qui sont enregistrées au moyen d?un rayon laser réfléchi par le levier. Ces donnés sont ensuit utilisés par un ordinateur pour reconstituer en 3D la surface de l?échantillon. La résolution de l?instrument est fonction entre autre de la dureté, de la rugosité de l?échantillon et de la forme de la pointe. Selon l?échantillon et la pointe utilisée la résolution de l?AFM peut aller de 0.1 A (sur des cristaux) a quelque dizaine de nanomètres (sur des cellules). Cet instrument est particulierment intéressant en biologie en raison de sa capacité à imager des échantillons immergés dans un liquide, c?est à dire dans des conditions quasiphysiologiques. Dans le cadre de ce travail nous avons étudié les changements conformationels de molécules biologiques soumises à des stimulations externes. Nous avons essentielment concentré notre attention sur des complexes protéiques nommé Chaperons Moléculaires et sur des molécules d?ADN circulaire (plasmides). Les Chaperons sont impliqués entre autre dans la résistance des organismes vivants aux stress thermiques et osmotiques. Leur activité consiste essentielment à aider les autres protéines à être bien pliés dans leur conformation finale et, en conséquence, à eviter que ils soient dénaturées et que ils puissent s?agréger. L?ADN, quant à lui est la molécule qui conserve, dans sa séquence, l?information génétique de tous les organismes vivants. Ce travail a spécifiquement concerné l?étude des changements conformationels des chaperonins suit a leur activation par l?ATP. Ces travaux ont montrés a l?échelle de molécule unique la capacité de ces protéines de changer leur surface de hydrophobique a hydrophilique. Nous avons également utilisé l?AFM pour étudier le changement du nombre des surenroulements des molécules d?ADN circulaire lors d?une exposition à un changement de température et de force ionique. Ces travaux ont permis de montrer comment la cellule regle le nombre de surenroulements dans ces molécules pour répondre et contrôler l?expression génétique même dans de conditions extrêmes. Pour les deux molécules en général, c?était très important d?avoir la possibilité de observer leur transitions d?une conformation a l?autre directement a l?échelle d?une seul molécule et, surtout, avec une résolution largement au dessous des la longueur d?onde de la lumière visible que représente le limite pour l?imagerie optique.

Localization and fine structure of a vaccinia virus gene encoding an envelope antigen.

The major antigen on the envelope of extracellular vaccinia virus particles is a polypeptide with an apparent molecular weight of 37,000 (p37K; G. Hiller and K. Weber, J. Virol. 55:651-659, 1985). The gene encoding p37K was mapped in the vaccinia virus genome by hybrid selection of RNA followed by in vitro translation. p37K was then identified among the in vitro translation products by immunoprecipitation with a monoclonal antibody. The gene is located close to the right-hand end of the HindIII F fragment. The corresponding region of the DNA was sequenced, and an open reading frame encoding a polypeptide of 41,748 daltons was observed. The 5' end of the mRNA, as defined by nuclease S1 analysis, maps within only a few nucleotides of the translation initiation codon. Examination of the DNA sequence around the putative initiation site of transcription revealed a characteristic sequence, TAAATG, which includes the ATG translation initiation codon and which is conserved in all but one late gene so far analyzed. It is therefore likely that this sequence is an important regulatory signal for late gene expression in vaccinia virus.

Spontaneous Cdc42 polarization independent of GDI-mediated extraction and actin-based trafficking.

The small Rho-family GTPase Cdc42 is critical for cell polarization and polarizes spontaneously in absence of upstream spatial cues. Spontaneous polarization is thought to require dynamic Cdc42 recycling through Guanine nucleotide Dissociation Inhibitor (GDI)-mediated membrane extraction and vesicle trafficking. Here, we describe a functional fluorescent Cdc42 allele in fission yeast, which demonstrates Cdc42 dynamics and polarization independent of these pathways. Furthermore, an engineered Cdc42 allele targeted to the membrane independently of these recycling pathways by an amphipathic helix is viable and polarizes spontaneously to multiple sites in fission and budding yeasts. We show that Cdc42 is highly mobile at the membrane and accumulates at sites of activity, where it displays slower mobility. By contrast, a near-immobile transmembrane domain-containing Cdc42 allele supports viability and polarized activity, but does not accumulate at sites of activity. We propose that Cdc42 activation, enhanced by positive feedback, leads to its local accumulation by capture of fast-diffusing inactive molecules.

Basal ganglia-cortical structural connectivity in Huntington's disease.

Huntington's disease is an incurable neurodegenerative disease caused by inheritance of an expanded cytosine-adenine-guanine (CAG) trinucleotide repeat within the Huntingtin gene. Extensive volume loss and altered diffusion metrics in the basal ganglia, cortex and white matter are seen when patients with Huntington's disease (HD) undergo structural imaging, suggesting that changes in basal ganglia-cortical structural connectivity occur. The aims of this study were to characterise altered patterns of basal ganglia-cortical structural connectivity with high anatomical precision in premanifest and early manifest HD, and to identify associations between structural connectivity and genetic or clinical markers of HD. 3-Tesla diffusion tensor magnetic resonance images were acquired from 14 early manifest HD subjects, 17 premanifest HD subjects and 18 controls. Voxel-based analyses of probabilistic tractography were used to quantify basal ganglia-cortical structural connections. Canonical variate analysis was used to demonstrate disease-associated patterns of altered connectivity and to test for associations between connectivity and genetic and clinical markers of HD; this is the first study in which such analyses have been used. Widespread changes were seen in basal ganglia-cortical structural connectivity in early manifest HD subjects; this has relevance for development of therapies targeting the striatum. Premanifest HD subjects had a pattern of connectivity more similar to that of controls, suggesting progressive change in connections over time. Associations between structural connectivity patterns and motor and cognitive markers of disease severity were present in early manifest subjects. Our data suggest the clinical phenotype in manifest HD may be at least partly a result of altered connectivity. Hum Brain Mapp 36:1728-1740, 2015. © 2015 Wiley Periodicals, Inc.

Catechol-O-methyltransferase, dopamine, and sleep-wake regulation.

NlmCategory="UNASSIGNED">Sleep and sleep disorders are complex and highly variable phenotypes regulated by many genes and environment. The catechol-O-methyltransferase (COMT) gene is an interesting candidate, being one of the major mammalian enzymes involved in the catabolism of catecholamines. The activity of COMT enzyme is genetically polymorphic due to a guanine-to-adenine transition at codon 158, resulting in a valine (Val) to methionine (Met) substitution. Individuals homozygous for the Val allele show higher COMT activity, and lower dopaminergic signaling in prefrontal cortex (PFC) than subjects homozygous for the Met allele. Since COMT has a crucial role in metabolising dopamine, it was suggested that the common functional polymorphism in the COMT gene impacts on cognitive function related to PFC, sleep-wake regulation, and potentially on sleep pathologies. The COMT Val158Met polymorphism may predict inter-individual differences in brain electroencephalography (EEG) alpha oscillations and recovery processes resulting from partial sleep loss in healthy individuals. The Val158Met polymorphism also exerts a sexual dimorphism and has a strong effect on objective daytime sleepiness in patients with narcolepsy-cataplexy. Since the COMT enzyme inactivates catecholamines, it was hypothesized that the response to stimulant drugs differs between COMT genotypes. Modafinil maintained executive functioning performance and vigilant attention throughout sleep deprivation in subjects with Val/Val genotype, but less in those with Met/Met genotype. Also, homozygous Met/Met patients with narcolepsy responded to lower doses of modafinil compared to Val/Val carriers. We review here the critical role of the common functional COMT gene polymorphism, COMT enzyme activity, and the prefrontal dopamine levels in the regulation of sleep and wakefulness in normal subjects, in narcolepsy and other sleep-related disorders, and its impact on the response to psychostimulants.

Buried in the Middle but Guilty: Intronic Mutations in the TCIRG1 Gene Cause Human Autosomal Recessive Osteopetrosis.

Autosomal recessive osteopetrosis (ARO) is a rare genetic bone disease with genotypic and phenotypic heterogeneity, sometimes translating into delayed diagnosis and treatment. In particular, cases of intermediate severity often constitute a diagnostic challenge and represent good candidates for exome sequencing. Here, we describe the tortuous path to identification of the molecular defect in two siblings, in which osteopetrosis diagnosed in early childhood followed a milder course, allowing them to reach the adult age in relatively good conditions with no specific therapy. No clearly pathogenic mutation was identified either with standard amplification and resequencing protocols or with exome sequencing analysis. While evaluating the possible impact of a 3'UTR variant on the TCIRG1 expression, we found a novel single nucleotide change buried in the middle of intron 15 of the TCIRG1 gene, about 150 nucleotides away from the closest canonical splice site. By sequencing a number of independent cDNA clones covering exons 14 to 17, we demonstrated that this mutation reduced splicing efficiency but did not completely abrogate the production of the normal transcript. Prompted by this finding, we sequenced the same genomic region in 33 patients from our unresolved ARO cohort and found three additional novel single nucleotide changes in a similar location and with a predicted disruptive effect on splicing, further confirmed in one of them at the transcript level. Overall, we identified an intronic region in TCIRG1 that seems to be particularly prone to splicing mutations, allowing the production of a small amount of protein sufficient to reduce the severity of the phenotype usually associated with TCIRG1 defects. On this basis, we would recommend including TCIRG1 not only in the molecular work-up of severe infantile osteopetrosis but also in intermediate cases and carefully evaluating the possible effects of intronic changes. © 2015 American Society for Bone and Mineral Research.

The role of the microRNAs in the age-associated oancreatic β-cell dysfunction

Le corps humain emploie le glucose comme source principale d'énergie. L'insuline, sécrétée par les cellules ß-pancreatiques situées dans les îlots de Langerhans, est l'hormone principale assurant un maintien constant du taux de glucose sanguin (glycémie). Les prédispositions génétiques, le manque d'activité physique et un régime déséquilibré peuvent entraîner une perte de sensibilité à l'insuline et des taux de glucose dans le sang élevé (hyperglycémie), une condition nommée diabète de type 2. Cette maladie est initiée par une sensibilité diminuée à l'insuline dans les tissus périphériques, entraînant une demande accrue en insuline. Cette pression continue finie par épuiser les cellules ß-pancreatiques, qui sécrètent alors des niveaux d'insuline insuffisant en trainant l'apparition du diabète. Le vieillissement est un facteur de risque important pour les maladies métaboliques dont le diabète de type 2 faits partis. En effet la majeure partie des diabétiques de type 2 ont plus de 45 ans. Il est connu que le vieillissement entraine une perte de sensibilité à l'insuline, une sécrétion altérée d'insuline, une baisse de réplication et une plus grande mort des ß-cellules pancréatiques. Le but de ma thèse était de mieux comprendre les mécanismes contribuante au dysfonctionnement des cellules ß- pancréatiques lors du vieillissement. Les travaux du « Human Genome Project » ont révélés que seulement 2% de notre génome code pour des protéines. Le reste non-codant fut alors désigné sous le nom de « ADN déchets ». Cependant, l'étude approfondie de cet ADN non-codant ces dernières deux décennies a démontré qu'une grande partie code pour des «MicroARNs », des ARNs courts (20-22 nucleotides) découverts en 1997 chez le vers C.elegans. Depuis lors ces molécules ont été intensivement étudiées, révélant un rôle crucial de ces molécules dans la fonction et la survie des cellules en conditions normales et pathologiques. Le but de cette thèse était d'étudier le rôle des microARNs dans le dysfonctionnement des cellules ß lors du vieillissement. Nos données suggèrent qu'ils peuvent jouer un rôle tantôt salutaire, tantôt nocif sur les cellules ß. Par exemple, certains microARNs réduisent la capacité des cellules ß à se multiplier ou réduisent leur survie, alors que d'autres protègent ces cellules contre la mort. Pour conclure, nous avons démontré les microARNs jouent un rôle important dans le dysfonctionnement des cellules ß lors du vieillissement. Ces nouvelles découvertes préparent le terrain pour la conception de futures stratégies visant à améliorer la résistance des cellules ß pancréatiques afin de trouver de nouveaux traitements du diabète de type 2. -- Le diabète de type 2 est une maladie métabolique due à la résistance à l'action de l'insuline des tissus cibles combinée à l'incapacité des cellules ß pancréatiques à sécréter les niveaux adéquats d'insuline. Le vieillissement est associé à un déclin global des fonctions de l'organisme incluant une diminution de la fonction et du renouvellement des cellules ß pancréatiques. Il constitue ainsi un risque majeur de développement des maladies métaboliques dont le diabète de type 2. Le but de cette thèse était d'étudier le rôle des microARNs (une classe d'ARN non- codants) dans le dysfonctionnement lié au vieillissement des cellules ß. L'analyse par microarray des niveaux d'expression des microARN dans les îlots pancréatiques de rats Wistar mâles âgés de 3 et 12 mois nous a permis d'identifier de nombreux changements d'expression de microARNs associés au vieillissement. Afin d'étudier les liens entre ces modifications et le déclin des cellules ß, les changements observés lors du vieillissement ont été reproduits spécifiquement dans une lignée cellulaire, dans des cellules ß primaires de jeune rats ou de donneurs humains sains. La diminution du miR-181a réduit la prolifération des cellules ß, tandis que la diminution du miR-130b ou l'augmentation du miR-383 protège contre l'apoptose induite par les cytokines. L'augmentation du miR-34a induit l'apoptose et inhibe la prolifération des cellules ß en réponse aux hormones Exendin-4 et prolactine et au facteur de croissance PDGF-AA. Cette perte de capacité réplicative est similaire à celle observée dans des cellules ß de rats âgés de 12 mois. Dans la littérature, la perte du récepteur au PDGF-r-a est associée à la diminution de la capacité proliférative des cellules ß observée lors du vieillissement. Nous avons pu démontrer que PDGF-r-a est une cible directe de miR- 34a, suggérant que l'effet néfaste de miR-34a sur la prolifération des cellules ß est, du moins en partie, lié à l'inhibition de l'expression de PDGF-r-a. L'expression de ce miR est aussi plus élevée dans le foie et le cerveau des animaux de 1 an et augmente avec l'âge dans les ilôts de donneurs non-diabétiques. Ces résultats suggèrent que miR-34a pourrait être non seulement impliqué dans l'affaiblissement des fonctions pancréatiques associé à l'âge, mais également jouer un rôle dans les tissus cibles de l'insuline et ainsi contribuer au vieillissement de l'organisme en général. Pour conclure, les travaux obtenus durant cette thèse suggèrent que des microARNs sont impliqués dans le dysfonctionnement des cellules ß pancréatiques durant le vieillissement. -- Type 2 diabetes is a metabolic disease characterized by impaired glucose tolerance, of the insulin sensitive tissues and insufficient insulin secretion from the pancreatic ß-cells to sustain the organism demand. Aging is a risk factor for the majority of the metabolic diseases including type 2 diabetes. With aging is observed a decline in all body function, due to decrease both in cell efficiency and renewal. The aim of this thesis was to investigate the potential role of microRNAs (short non- coding RNAs) in the pancreatic ß-cell dysfunction associated with aging. Microarray analysis of microRNA expression profile in pancreatic islets from 3 and 12 month old Wistar male rats revealed important changes in several microRNAs. To further study the link between those alterations and the decline of ß-cells, the changes observed in old rats were mimicked in immortalized ß-cell lines, primary young rat and human islets. Downregulation of miR-181a inhibited pancreatic ß-cell proliferation in response to proliferative drugs, whereas downregulation of miR-130b and upregulation of miR-383 protected pancreatic ß-cells from cytokine stimulated apoptosis. Interestingly, miR-34a augmented pancreatic ß-cell apoptosis and inhibited ß-cell proliferation in response to the proliferative chemicals Exendin-4, prolactin and PDGF-AA. This loss of replicative capacity is reminiscent of what we observed in pancreatic ß-cells isolated from 12 month old rats. We further observed a correlation between the inhibitory effect of miR-34a on pancreatic ß-cell proliferation and its direct interfering effect of this microRNA on PDGF-r-a, which was previously reported to be involved in the age-associated decline of pancreatic ß-cell proliferation. Interestingly miR-34a was upregulated in the liver and brain of 1 year old animals and positively correlated with age in pancreatic islets of normoglycemic human donors. These results suggest that miR-34a might be not only involved in the age-associated impairment of the pancreatic ß-cell functions, but also play a role in insulin target tissues and contribute to the aging phenotype on the organism level. To conclude, we have demonstrated that microRNAs are indeed involved in the age-associated pancreatic ß-cell dysfunction and they can play both beneficial and harmful roles in the context of pancreatic ß-cell aging.

Thermal Degradation of Small Molecules: A Global Metabolomic Investigation.

Thermal processes are widely used in small molecule chemical analysis and metabolomics for derivatization, vaporization, chromatography, and ionization, especially in gas chromatography mass spectrometry (GC/MS). In this study the effect of heating was examined on a set of 64 small molecule standards and, separately, on human plasma metabolite extracts. The samples, either derivatized or underivatized, were heated at three different temperatures (60, 100, and 250 °C) at different exposure times (30 s, 60 s, and 300 s). All the samples were analyzed by liquid chromatography coupled to electrospray ionization mass spectrometry (LC/MS) and the data processed by XCMS Online ( xcmsonline.scripps.edu ). The results showed that heating at an elevated temperature of 100 °C had an appreciable effect on both the underivatized and derivatized molecules, and heating at 250 °C created substantial changes in the profile. For example, over 40% of the molecular peaks were altered in the plasma metabolite analysis after heating (250 °C, 300s) with a significant formation of degradation and transformation products. The analysis of 64 small molecule standards validated the temperature-induced changes observed on the plasma metabolites, where most of the small molecules degraded at elevated temperatures even after minimal exposure times (30 s). For example, tri- and diorganophosphates (e.g., adenosine triphosphate and adenosine diphosphate) were readily degraded into a mono-organophosphate (e.g., adenosine monophosphate) during heating. Nucleosides and nucleotides (e.g., inosine and inosine monophosphate) were also found to be transformed into purine derivatives (e.g., hypoxanthine). A newly formed transformation product, oleoyl ethyl amide, was identified in both the underivatized and derivatized forms of the plasma extracts and small molecule standard mixture, and was likely generated from oleic acid. Overall these analyses show that small molecules and metabolites undergo significant time-sensitive alterations when exposed to elevated temperatures, especially those conditions that mimic sample preparation and analysis in GC/MS experiments.

"Role of long non-coing RNAs in the stressed heart". Wisper : a novel cardiac fibroblast-enriched IncRNA that modulate fibrosis in the failing heart

LncRNAs are transcripts greater than 200 nucleotides in length with no apparent coding potential. They exert important regulatory functions in the genome. Their role in cardiac fibrosis is however unexplored. To identify IncRNAs that could modulate cardiac fibrosis, we profiled the long non-coding transcriptome in the infarcted mouse heart, and identified 1500 novel IncRNAs. These IncRNAs have unique characteristics such as high tissue and cell type specificity. Their expression is highly correlated with parameters of cardiac dimensions and function. The majority of these novel IncRNAs are conserved in human. Importantly, human IncRNAs appear to be differentially expressed in heart disease. Using a computational pipeline, we identified a super-enhancer-associated IncRNA, which is dynamically expressed after myocardial infarction. We named this particular transcript Wisper for «Wisp2 super-enhancer- derived IncRNA ». Interestingly, Wisper expression is overexpressed in cardiac fibroblasts as compared to cardiomyocytes or to fibroblasts isolated from other organs than the heart. The importance of Wisper in the biology of fibroblasts was demonstrated in knockdown experiments. Differentiation of cardiac fibroblast into myofibroblasts in vitro is significantly impaired upon Wisper knockdown. Wisper downregulation in cardiac fibroblasts results in a dramatic reduction of fibrotic gene expression, a diminished cell proliferation and an increase in apoptotic cell death. In vivo, depletion of Wisper during the acute phase of the response to infarction is detrimental via increasing the risk of cardiac rupture. On the other hand, Wisper knockdown following infarction in a prevention study reduces fibrosis and preserves cardiac function. Since WISPER is detectable in the human heart, where it is associated with severe cardiac fibrosis, these data suggest that Wisper could represent a novel therapeutic target for limiting the extent of the fibrotic response in the heart. -- Les long ARN non-codants (IncRNAs) sont des ARN de plus de 200 nucléotides qui ne codent pas pour des protéines. Ils exercent d'importantes fonctions dans le génome. Par contre, leur importance dans le développement de la fibrose cardiaque n'a pas été étudiée. Pour identifier des IncRNAs jouant un rôle dans ce processus, le transcriptome non-codant a été étudié dans le coeur de'souris après un infarctus du myocarde. Nous avons découverts 1500 nouveaux IncRNAs. Ces transcrits ont d'uniques caractéristiques. En particulier ils sont extrêmement spécifiques de sous-populations de cellules cardiaques. Par ailleurs, leur expression est remarquablement corrélée avec les paramètres définissant les dimensions du coeur et la fonction cardiaque. La majorité de ces IncRNAs sont conservés chez l'humain. Certains sont modulés dans des pathologies cardiaques. En utilisant une approche bioinformatique, nous avons identifié un IncRNA qui est associé à des séquences amplificatrices et qui est particulièrement enrichi dans les fibroblastes cardiaques. Ce transcrit a été nommé Wisper pour «Wisp2 super-enhancer-derived IncRNA ». L'importance de Wisper dans la biologie des fibroblastes cardiaques est démontrée dans des expériences de déplétion. En l'absence de Wisper, l'expression de protéines impliquées dans le développement de la fibrose est dramatiquement réduite dans les fibroblastes cardiaques. Ceux-ci montrent une prolifération réduite. Le niveau d'apoptose est largement augmenté. In vivo, la déplétion de Wisper pendant la phase aiguë de l'infarctus rehausse le risque de rupture cardiaque. Au contraire, la réduction de l'expression de Wisper pendant la phase chronique diminue la fibrose cardiaque et améliore la fonction du coeur. Puisque Wisper est exprimé dans le coeur humain, ce transcrit représente une nouvelle cible thérapeutique pour limiter la réponse fibrotique dans le coeur.