Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments : from alkaline deposition towards acidification

J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Thesis abstract Mine waste is the largest volume of materials handled in the world. The oxidation of sulfidic mine waste may result in the release of acid mine drainage (AMD) rich in heavy metals and arsenic to the environment, one of the major problems the mining industry is facing today. To control and reduce this environmental impact, it is crucial to identify the main geochemical and hydrological processes influencing contaminant liberation, transport, and retention. This thesis presents the results of a geochemical, mineralogical and stable isotope study (δ2H, δ18O, δ34S) from two active porphyry copper tailings impoundments in Mediterranean (Carén tailings impoundment, El Teniente mine, Central Chile) and hyper-arid climate (Talabre tailings impoundment, Chuquicamata, Northern Chile) from the deposition in alkaline environment (pH 10.5) towards acidification after several years of exposure. The major hydrological results were the identification of vertical contaminant and water transport in the uppermost, not water-saturated zone, triggered by capillary rise due to evaporation, and infiltration downwards due to new tailings deposition, and of horizontal transport in the groundwater zone. At the surface of the sedimented tailings, evaporation of pore water led to the precipitation of Na-Ca-Mg sulfates (e.g., gypsum, tenorite), in hyper-arid climate also halite. At the Carén tailings impoundment, renewed deposition in a 4-week interval inhibited a pH decrease below neutral values and the formation of an efflorescent salt crust. At the Talabre tailings impoundment, deposition breaks of several years resulted in the formation of acidic oxidation zones in the timeframe of less than 4 years. This process enabled the transport of liberated Cu, Zn, and Fe via capillary rise to the surface, where these metals precipitated as heavy-metal sulfates (e.g., devilline, krohnkite) and chlorides (eriochalcite, atacamite). Renewed depositing may dissolve efflorescent salts and transport liberated elements towards the groundwater zone. This zone was found to be highly dynamic due to infiltration and mixing with water from different sources, like groundwater, catchment water, and infiltration from superficial waters. There, Cu was found to be partially mobile due to complexation with Cl (in Cl-rich groundwater, Talabre) and dissolved organic matter (in zones with infiltration of catchment water rich in dissolved organic matter, Carén). A laboratory study on the isotopic fractionation of sulfur and oxygen of sulfate in different minerals groups (water-soluble sulfates, low- and high-crystalline Fe(III) oxyhydroxides) contributed to the use of stable isotopes as tracer of geochemical and transport processes for environmental studies. The results highlight that a detailed geochemical, stable isotope and mineralogical study permits the identification of contamination processes and pathways already during the deposition of mine tailings. This knowledge allows the early planning of adequate actions to reduce and control the environmental impact during tailings deposition and after the closing of the impoundment. J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Résumé de these Les déchets miniers constituent les plus grands volumes de matériel gérés dans le monde. L'oxydation des déchets miniers sulfuriques peut conduire à la libération de drainages miniers acides (DMA) riches en métaux et arsenic dans l'environnement, ce qui est l'un des principaux problèmes de l'industrie minière aujourd'hui. Pour contrôler et réduire ces impacts sur l'environnement, il est crucial d'identifier les principaux processus géochimiques et hydrologiques influençant la libération, le transport et la rétention des contaminants. Cette thèse présente les résultats d'une étude géochimique, minéralogique et des isotopes stables (δ2H, δ18O, δ34S) sur des déchets miniers de 2 sites de dépôt actifs en climat méditerranéen (Dépôt de déchets de Carén, mine de El Teniente, Centre du Chili) et en climat hyper-aride (Dépôt de déchets de Talabre, mine de Chuquicamata, Nord du Chili). L'objectif était d'étudier l'évolution des déchets de la déposition en milieu alcalin (pH = 10.5) vers l'acidification après plusieurs années d'exposition. Le principal résultat hydrologique a été l'identification de 2 types de transport : un transport vertical de l'eau et des contaminants dans la zone non saturée en surface, induit par la montée capillaire due à l'évaporation et par l'infiltration subséquente de la déposition de sédiments frais ; et un transport horizontal dans la zone des eaux souterraines. À la surface des déchets, l'évaporation de l'eau interstitielle conduit à la précipitation de sulfates de Na-Ca-Mg (ex. gypse, ténorite) et halite en climat hyper-aride. Dans le site de Carén, une nouvelle déposition de déchets frais à 4 semaines intervalle a empêché la baise du pH en deçà des valeurs neutres et la formation d'une croûte de sels efflorescentes en surface. Dans le site de Talabre, les fentes de dessiccation des dépôts ont entraîné la formation d'une zone d'oxydation à pH acide en moins de 4 ans. Ce processus a permis la libération et le transport par capillarité de Cu, Zn, Fe vers la surface, où ces éléments précipitent sous forme de sulfates de métaux lourds (ex., dévilline, krohnkite) de chlorures (ex. ériochalcite, atacamite). Une nouvelle déposition de sédiments frais pourrait dissoudre ces sels et les transporter vers la zone des eaux souterraines. Cette dernière zone était très dynamique en raison du mélange d'eaux provenant de différentes sources, comme les eaux souterraines, l'eau de captage et l'infiltration des eaux superficielles. Egalement dans cette zone, le cuivre était partiellement mobile à cause de la formation de complexe avec le chlore (dans les zone riche en Cl, Talabre) et avec la matière organique dissoute (dans les zones où s'infiltre l'eau de captage riche en matière organique, Carén). Une étude en laboratoire sur le fractionnement des isotopes stables de sulfure et d'oxygène des sulfates dans différents groupes de minéraux (sulfates hydrosolubles, sulfures de oxy-hydroxyde de Fe(III) faiblement ou fortement cristallins) a permis d'apporter une contribution à leur utilisation comme traceurs dans l'étude des processus géochimiques et de transport lors d'études environnementales. Les résultats montrent qu'une étude détaillée de la géochimie, des isotopes stables et de la minéralogie permet d'identifier les processus et les voies de contamination déjà pendant la période de dépôt des déchets miniers. Cette connaissance permet de planifier, dès le début de l'exploitation, des mesures adéquates pour réduire et contrôler l'impact sur l'environnement pendant la période de dépôts de déchets miniers et après la fermeture du site.

Comparison of the developmental effects of two mercury compounds on glial cells and neurons in aggregate cultures of rat telencephalon.

A three-dimensional cell culture system was used as a model to study the influence of low levels of mercury in the developing brain. Aggregating cell cultures of fetal rat telencephalon were treated for 10 days either during an early developmental period (i.e., between days 5 and 15 in vitro) or during a phase of advanced maturation (i.e., between days 25 and 35) with mercury. An inorganic (HgCl2) and an organic mercury compound (monomethylmercury chloride, MeHgCl) were examined. By monitoring changes in cell type-specific enzymes activities, the concentration-dependent toxicity of the compounds was determined. In immature cultures, a general cytotoxicity was observed at 10(-6) M for both mercury compounds. In these cultures, HgCl2 appeared somewhat more toxic than MeHgCl. However, no appreciable demethylation of MeHgCl could be detected, indicating similar toxic potencies for both mercury compounds. In highly differentiated cultures, by contrast, MeHgCl exhibited a higher toxic potency than HgCl2. In addition, at 10(-6) M, MeHgCl showed pronounced neuron-specific toxicity. Below the cytotoxic concentrations, distinct glia-specific reactions could be observed with both mercury compounds. An increase in the immunoreactivity for glial fibrillary acidic protein, typical for gliosis, could be observed at concentrations between 10(-9) M and 10(-7) M in immature cultures, and between 10(-8) M and 3 x 10(-5) M in highly differentiated cultures. A conspicuous increase in the number and clustering of GSI-B4 lectin-binding cells, indicating a microglial response, was found at concentrations between 10(-10) M and 10(-7) M. These development-dependent and cell type-specific effects may reflect the pathogenic potential of long-term exposure to subclinical doses of mercury.

An evaluation of the inorganic and organic geochemistry of the San Vicente Mississippi Valley-type zinc-lead district, central Peru: Implications for ore fluid composition, mixing processes, and sulfate reduction

Mississippi Tialley-type zinc-lead deposits and ore occurrences in the San Vicente belt are hosted in dolostones of the eastern Upper Triassic to Lower Jurassic Pucara basin, central Peru. Combined inorganic and organic geochemical data from 22 sites, including the main San Vicente deposit, minor ore occurrences, and barren localities, provide better understanding of fluid pathways and composition, ore precipitation mechanisms, Eh-pH changes during mineralization, and relationships between organic matter and ore formation. Ore-stage dark replacement dolomite and white sparry dolomite are Fe and rare earth element (REE) depleted, and Mn enriched, compared to the host dolomite. In the main deposit, they display significant negative Ce and probably Eu anomalies. Mixing of an incoming hot, slightly oxidizing, acidic brine (H2CO3 being the dominant dissolved carbon species), probably poor in REE and Fe, with local intraformational, alkaline, reducing waters explains the overall carbon and oxygen isotope variation and the distributions of REE and other trace elements in the different hydrothermal carbonate generations. The incoming ore fluid flowed through major aquifers, probably basal basin detrital units, with limited interaction with the carbonate host rocks. The hydrothermal carbonates show a strong regional chemical homogeneity, indicating access of the ore fluids by interconnected channelways near the ore occurrences. Negative Ce anomalies in the main deposit, that are absent at the district scale, indicate local ore-fluid chemical differences. Oxidation of both migrated and indigenous hydrocarbons by the incoming fluid provided the local reducing conditions necessary for sulfate reduction to H2S, pyrobitumen precipitation, and reduction of Eu3+ to Eu2+. Fe-Mn covariations, combined with the REE contents of the hydrothermal carbonates, are consistent with the mineralizing system shifting from reducing/rock-dominated to oxidizing/fluid-dominated conditions following ore deposition. Sulfate and sulfide sulfur isotopes support sulfide origin from evaporite-derived sulfate by thermochemical organic reduction; further evidence includes the presence of C-13-depleted calcite cements (similar to-12 parts per thousand delta(13)C) as sulfate pseudomorphs, elemental sulfur, altered organic matter in the host dolomite, and isotopically heavier, late, solid bitumen. Significant alteration of the indigenous and extrinsic hydrocarbons, with absent bacterial membrane biomarkers (hopanes) is observed. The light delta(34)S of sulfides from small mines and occurrences compared to the main deposit reflect a local contribution of isotopically light sulfur, evidence of local differences in the ore-fluid chemistry.

MOLECULAR MECHANISMS OF A ROOT SYSTEM TO SOIL ADAPTATION

Contrairement aux animaux, les plantes sont des organismes sessiles qui ne possèdent pas de mécanismes de fuite quand les conditions environnementales ne sont plus optimales. Les plantes sont physiquement ancrées à l'endroit où elles ont germées et aux conditions environnementales qui parfois peuvent être extrêmes. Les possibilités d'acclimatation de différentes espèces, parfois même de groupes de plantes au sein d'une même espèce, peuvent varier mais repose sur une adaptation génétique de la plante. L'adaptation est un long processus qui repose sur l'apparition spontanée de mutations génétiques, leur mise à l'épreuve face aux conditions environnementales, et dans le cas où la mutation a un impact positif sur la survie dans cet habitat particulier, elle sera maintenue dans une population donnée de plantes. De telles populations, appelées écotypes, sont le matériel de départ pour la découverte de gènes qui induisent un bénéfice pour la plante dans un environnement donné. La plante la plus étudiée en biologie moléculaire est Arabidopsis thaliana, l'arabette des prés. Dans une étude précédente, les racines d'écotypes naturels d'Arabidopsis ont été comparées et un écotype, Uk-1, avait le système racinaire le plus particulier. Cet écotype possède des racines beaucoup plus courtes et plus ramifiées que tous les autres écotypes. Des analyses plus poussées ont montré qu'une seule mutation dans un gène était la cause de ce phénotype, le gène BREVIS RADIX (BRX), mot latin signifiant 'racine courte'. Bien que l'on connaisse le gène BRX, on connaît finalement peu de choses sur son importance adaptative. Dans cette étude, nous avons montré que la mutation dans le gène BRX rend la plante plus résistante aux sols acides. Dans l'optique de mieux comprendre cette valeur adaptative du mutant brx, nous avons analysé dans quels tissus le gène BRX jouait un rôle important. Nous avons pu mettre en évidence que BRX est important pour le développement du protophloème. Le protophloème est un élément du système vasculaire de la plante. En général, les plantes supérieures possèdent deux systèmes de transport à longue distance. L'un d'eux, appelé xylème, transporte l'eau et les nutriments absorbés du sol par les racines vers les feuilles. Les feuilles sont le siège du processus de photosynthèse au cours duquel sont produits des sucres qui devront être distribués partout dans les autres parties de la plante. Le tissu cellulaire chargé de livrer les produits de la photosynthèse, ainsi que les régulateurs de croissance, est le phloème. Ce dernier regroupe le métaphloème et le protophloème. Le protophloème est essentiel pour la livraison des sucres synthétisés ainsi que des signaux de croissance aux pointes des racines, centres organogéniques responsables de la production de nouvelles cellules durant la phase de croissance de la racine. La structure du protophloème peut être décrite comme des tubes continus, vides et résistants, faits de cellules spécialisées qui permettent un transport efficace et rapide. Nous avons montré que dans les mutants brx ces canaux de transports sont discontinus car certaines cellules n'ont pas terminé leur cycle de différenciation. Ces cellules obstruent le conduit ce qui fait que les sucres et les signaux de croissance, comme l'auxine, ne peuvent plus être transportés aux méristèmes. En conséquence, la prolifération de l'activité des méristèmes est compromise, ce qui explique les racines courtes. Au lieu d'être délivré aux méristèmes, l'auxine se concentre en amont des méristèmes où cela provoque l'apparition de nouvelles racines branchées et, très probablement, l'activation des pompes à protons. Sur des sols acides, la concentration en ion H+ est très élevée. Ces ions entrent dans les cellules de la racine par diffusion et perturbent notablement la croissance des racines et de la plante en général. Si les cellules de la racine possédaient des pompes à protons hyperactives, elles seraient capable d'évacuer le surplus d'ions H+ en dehors de la cellule, ce qui leur assurerait de meilleures chances de survie sur sols acides. De fait, le mutant brx est capable d'acidifier le milieu de culture dans lequel il est cultivé plus efficacement que la plante sauvage. Ce mutant est également capable de donner plus de progéniture sur ce type de milieu de croissance que les plantes sauvages. Finalement, nous avons trouvé d'autres mutants brx en milieu naturel poussant sur sols acides, ce qui suggère fortement que la mutation du gène BRX est une des causes de l'adaptation aux sols acides. -- Plants as sessile organisms have developed different mechanisms to cope with the complex environmental conditions in which they live. Adaptation is the process through which traits evolve by natural selection to functionally improve in a given environmental context. An adaptation to the environment is characterized by the genetic changes in the entire populations that have been fixed by natural selection over many generations. BREVIS RADIX (BRX) gene was found through natural Arabidopsis accessions screen and was characterized as a root growth regulator since loss-of-function mutants exhibit arrested post-embryonic primary root growth in addition to a more branched root system. Although brx loss-of-function causes a complete alteration in root architecture, BRX activity is only required in the root vasculature, in particular in protophloem cell file. Protophloem is a part of the phloem transport network and is responsible for delivery of photo-assimilates and growth regulators, coming from the shoot through mature phloem component - metaphloem, to the all plant primary meristems. In order to perform its function, protophloem is the first cell file to differentiate within the root meristem. During this process, protophloem cells undergo a partial programmed cell death, during which they build a thicker cell wall, degrade nucleus and tonoplast while plasma membrane stays functional. Interestingly, protophloem cells enter elongation process only after differentiation into sieve elements is completed. Here we show that brx mutants fail to differentiate protophloem cell file properly, a phenotype that can be distinguished by a presence of a "gap" cells, non-differentiated cells between two flanking differentiated cells. Discontinuity of protophloem differentiation in brx mutants is considered to be a consequence of local hyperactivity of CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3) signaling module. Interestingly, a CLE45 activity, most probably at the level of receptor binding, can be modulated by apoplastic pH. Altogether, our results imply that the activity of proton pumps, expressed in non-differentiated cells of protophloem, must be maintained under certain threshold, otherwise CLE45-BAM3 signaling pathway will be stimulated and in turn protophloem will not differentiate. Based on vacuolar morphology, a premature cell wall acidification in brx mutants stochastically prevents the protophloem differentiation. Only after protophloem differentiates, proton pumps can be activated in order to acidify apoplast and to support enucleated protophloem multifold elongation driven by surrounding cells growth. Finally, the protophloem differentiation failure would result in an auxin "traffic jam" in the upper parts of the root, created from the phloem-transported auxin that cannot be efficiently delivered to the meristem. Physiologically, auxin "leakage" from the plant vasculature network could have various consequences, since auxin is involved in the regulation of almost every aspect of plant growth and development. Thus, given that auxin stimulates lateral roots initiation and growth, this scenario explains more branched brx root system. Nevertheless, auxin is considered to activate plasma membrane proton pumps. Along with this, it has been shown that brx mutants acidify media much more than the wild type plants do, a trait that was proposed as an adaptive feature of naturally occurring brx null alleles in Arabidopsis populations found on acidic soils. Additionally, in our study we found that most of accessions originally collected from acidic sampling sites exhibit hypersensitivity to CLE45 treatment. This implies that adaptation of plants to acidic soil involves a positive selection pressure against upstream negative regulators of CLE45-BAM3 signaling, such as BRX. Perspective analysis of these accessions would provide more profound understanding of molecular mechanisms underlying plant adaptation to acidic soils. All these results are suggesting that targeting of the factors that affect protophloem differentiation is a good strategy of natural selection to change the root architecture and to develop an adaptation to a certain environment. -- Les plantes comme organismes sessiles ont développé différents mécanismes pour s'adapter aux conditions environnementales complexes dans lesquelles elles vivent. L'adaptation est le processus par lequel des traits vont évoluer via la sélection naturelle vers une amélioration fonctionnelle dans un contexte environnemental donné. Une adaptation à l'environnement est caractérisée par des changements génétiques dans des populations entières qui ont été fixés par la sélection naturelle sur plusieurs générations. Le gène BREVIS RADIX (BRX) a été identifié dans le crible d'une collection d'accessions naturelles d'Arabidopsis et a été caractérisé comme un régulateur de la croissance racinaire étant donné que le mutant perte-de-fonction montre une croissance racinaire primaire arrêtée au stade post-embryonnaire et présente de plus un système racinaire plus ramifié que la plante sauvage. Bien que le mutant perte-de-fonction brx cause une altération complète de l'architecture racinaire, l'activité de BRX n'est requise que dans la vascularisation racinaire, en particulier au niveau du protophloème. Le protophloème est un composant du réseau de transport du phloème et est responsable du transit des dérivés de la photosynthèse ainsi que des régulateurs de croissances, venant de la partie aérienne par le phloème mature (métaphloème) vers tous les méristèmes primaires de la plante. Pour pouvoir réaliser sa fonction, le protophloème est la première file de cellules à se différencier à l'intérieur du méristème de la racine. Pendant ce processus, les cellules du protophloème subissent une mort cellulaire programmée partielle durant laquelle elles épaississent leur paroi cellulaire, dégradent le noyau et le tonoplaste tandis que la membrane plasmique demeure fonctionnelle. De manière intéressante, les cellules du protophloème entament le processus d'allongement seulement après que la différenciation en tubes criblés soit complète. Ce travail montre que le mutant brx est incapable de mener à bien la différenciation de la file de cellules du protophloème, phénotype qui peut être visualisé par la présence de cellules 'trous', de cellules non différenciées entourées de deux cellules différenciées. La discontinuité de la différenciation du phloème dans le mutant brx est considérée comme la conséquence de l'hyperactivité localisée du module de signalisation CLA VA TA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3). De manière intéressante, l'activité de CLE45, très probablement au niveau de la liaison avec le récepteur, peut être modulé par le pH apoplastique. Pris ensemble, nos résultats impliquent que l'activité des pompes à protons, actives dans les cellules non différenciées du protophloème, doit être maintenue en dessous d'un certain seuil autrement la cascade de signalisation CLE45-BAM3 serait stimulée, en conséquence de quoi le protophloème ne pourrait se différencier. D'après la morphologie vacuolaire, une acidification prématurée de la paroi cellulaire dans le mutant brx empêche la différenciation du protophloème de manière stochastique. Une fois que le protophloème se différencie, les pompes à protons peuvent alors être activées afin d'acidifier l'apoplaste et ainsi faciliter l'allongement des cellules énuclées du protophloème, entraînées par la croissance des cellules environnantes. Finalement, la différenciation défectueuse du protophloème produit une accumulation d'auxine dans la partie supérieure de la racine car le phloème ne peut plus acheminer efficacement l'auxine au méristème. Physiologiquement, la 'fuite' d'auxine à partir du réseau vasculaire de la plante peut avoir des conséquences variées puisque l'auxine est impliquée dans la régulation de la majorité des aspects de la croissance et développement de la plante. Etant donné que l'auxine stimule l'initiation et développement des racines latérales, ce scénario pourrait expliquer le système racinaire plus ramifié du mutant brx. En plus, l'auxine est considérée comme un activateur des pompes à protons. Par ailleurs, nous avons montré que les mutants brx ont la capacité d'acidifier le milieu plus efficacement que les plantes sauvages, une caractéristique des populations sauvages <¥Arabidopsis poussant sur des sols acides et contenant les allèles délétés brx. De plus, dans nos résultats nous avons mis en évidence que la plupart des accessions collectées originellement sur des sites acidophiles montre une hypersensibilité au traitement par CLE45. Ceci implique que l'adaptation des plantes aux sols acides repose sur la pression de sélection positive à rencontre des régulateurs négatifs de CLE45- BAM3, situés en amont de la cascade, tel le produit du gène BRX. Les analyses de ces accessions pourraient aboutir à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires responsables de l'adaptation des plantes aux sols acides. Tous nos résultats suggèrent que le ciblage des facteurs affectant la différenciation du protophloème serait une stratégie gagnante dans la sélection naturelle pour changer l'architecture de la racine et ainsi s'adapter efficacement à un nouvel environnement.

Intravitreous injection of PLGA microspheres encapsulating GDNF promotes the survival of photoreceptors in the rd1/rd1 mouse.

PURPOSE: To evaluate the potential delay of the retinal degeneration in rd1/rd1 mice using recombinant human glial cell line-derived neurotrophic factor (rhGDNF) encapsulated in poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) microspheres. METHODS: rhGDNF-loaded PLGA microspheres were prepared using a water in oil in water (w/o/w) emulsion solvent extraction-evaporation process. In vitro, the rhGDNF release profile was assessed using radiolabeled factor. In vivo, rhGDNF microspheres, blank microspheres, or microspheres loaded with inactivated rhGDNF were injected into the vitreous of rd1/rd1 mice at postnatal day 11 (PN11). The extent of retinal degeneration was examined at PN28 using rhodopsin immunohistochemistry on whole flat-mount retinas, outer nuclear layer (ONL) cell counting on histology sections, and electroretinogram tracings. Immunohistochemical reactions for glial fibrillary acidic protein (GFAP), F4/80, and rhodopsin were performed on cryosections. RESULTS: Significant delay of rod photoreceptors degeneration was observed in mice receiving the rhGDNF-loaded microspheres compared to either untreated mice or to mice receiving blank or inactivated rhGDNF microspheres. The degeneration delay in the eyes receiving the rhGDNF microspheres was illustrated by the increased rhodopsin positive signals, the preservation of significantly higher number of cell nuclei within the ONL, and significant b-wave increase. A reduction of the subretinal glial proliferation was also observed in these treated eyes. No significant intraocular inflammatory reaction was observed after the intravitreous injection of the various microspheres. CONCLUSIONS: A single intravitreous injection of rhGDNF-loaded microspheres slows the retinal degeneration processes in rd1/rd1 mice. The use of injectable, biodegradable polymeric systems in the vitreous enables the efficient delivery of therapeutic proteins for the treatment of retinal diseases.

Assessment of diesel exhaust particulate exposure and surface characteristics in association with levels of oxidative stress biomarkers

Exposure to PM10 and PM2.5 (particulate matter with aerodynamic diameter smaller than 10 μm and 2.5 μm, respectively) is associated with a range of adverse health effects, including cancer, pulmonary and cardiovascular diseases. Surface characteristics (chemical reactivity, surface area) are considered of prime importance to understand the mechanisms which lead to harmful effects. A hypothetical mechanism to explain these adverse effects is the ability of components (organics, metal ions) adsorbed on these particles to generate Reactive Oxygen Species (ROS), and thereby to cause oxidative stress in biological systems (Donaldson et al., 2003). ROS can attack almost any cellular structure, like DNA or cellular membrane, leading to the formation of a wide variety of degradation products which can be used as a biomarker of oxidative stress. The aim of the present research project is to test whether there is a correlation between the exposure to Diesel Exhaust Particulate (DEP) and the oxidative stress status. For that purpose, a survey has been conducted in real occupational situations where workers were exposed to DEP (bus depots). Different exposure variables have been considered: - particulate number, size distribution and surface area (SMPS); - particulate mass - PM2.5 and PM4 (gravimetry); - elemental and organic carbon (coulometry); - total adsorbed heavy metals - iron, copper, manganese (atomic adsorption); - surface functional groups present on aerosols (Knudsen flow reactor). Several biomarkers of oxidative stress (8-hydroxy-2'-deoxyguanosine and several aldehydes) have been determined either in urine or serum of volunteers. Results obtained during the sampling campaign in several bus depots indicated that the occupational exposure to particulates in these places was rather low (40-50 μg/m3 for PM4). Bimodal size distributions were generally observed (5 μm and <1 μm). Surface characteristics of PM4 varied strongly, depending on the bus depot. They were usually characterized by high carbonyl and low acidic sites content. Among the different biomarkers which have been analyzed within the framework of this study, mean urinary levels of 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine increased significantly (p<0.05) during two consecutive days of exposure for non-smoker workers. On the other hand, no statistically significant differences were observed for serum levels of hexanal, nonanal and 4- hydroxy-nonenal (p>0.05). Biomarkers levels will be compared to exposure variables to gain a better understanding of the relation between the particulate characteristics and the formation of ROS by-products. This project is financed by the Swiss State Secretariat for Education and Research. It is conducted within the framework of the COST Action 633 "Particulate Matter - Properties Related to Health Effects".

Dietary protein modifies oxidized cholesterol-induced alterations of linoleic acid and cholesterol metabolism in rats

Effects of dietary protein on oxidized cholesterol-induced alterations in linoleic acid and cholesterol metabolism were studied in 4-wk-old male Sprague-Dawley rats, using casein and soybean protein as dietary protein sources. The rats were fed one of the two proteins in cholesterol-free, 0.3% cholesterol or 0.3% oxidized cholesterol mixture diets using a pair-feeding protocol for 3 wk. In the soybean protein-fed group, rats fed oxidized cholesterol did not have lower activity of liver microsomal delta6 desaturase, the rate-limiting enzyme in the metabolism of linoleic acid to arachidonic acid, compared with rats fed cholesterol-free diet, whereas in the casein-fed group the desaturase activity was significantly greater in rats fed oxidized cholesterol than in those fed cholesterol-free diet. This was in contrast to a significant reduction in liver microsomal delta6 desaturase activity by cholesterol, irrespective of protein source. In general, these changes were reflected in the desaturation indices of liver phospholipids. Furthermore, soybean protein significantly increased the fecal excretion of neutral and acidic steroids and tended to reduce (P = 0.082) the accumulation of oxidized cholesterols in the liver. Thus, soybean protein partly modified some of the undesirable effects of oxidized cholesterol through its hypocholesterolemic effect and possibly through the modulation of hepatic delta6 desaturase activity.

No complementation between TP53 or RB-1 and v-src in astrocytomas of GFAP-v-src transgenic mice.

Human low-grade astrocytomas frequently recur and progress to states of higher malignancy. During tumor progression TP53 alterations are among the first genetic changes, while derangement of the p16/p14ARF/RB-1 system occurs later. To probe the pathogenetic significance of TP53 and RB-1 alterations, we introduced a v-src transgene driven by glial fibrillary acidic protein (GFAP) regulatory elements (which causes preneoplastic astrocytic lesions and stochastically astrocytomas of varying degrees of malignancy) into TP53+/- or RB-1+/- mice. Hemizygosity for TP53 or RB-1 did not increase the incidence or shorten the latency of astrocytic tumors in GFAP-v-src mice over a period of up to 76 weeks. Single strand conformation analysis of exons 5 to 8 of non-ablated TP53 alleles revealed altered migration patterns in only 3/16 tumors analyzed. Wild-type RB-1 alleles were retained in all RB-1+/-GFAP-v-src mice-derived astrocytic tumors analyzed, and pRb immunostaining revealed protein expression in all tumors. Conversely, the GFAP-v-src transgene did not influence the development of extraneural tumors related to TP53 or RB-1 hemizygosity. Therefore, the present study indicates that neither loss of RB-1 nor of TP53 confer a growth advantage in vivo to preneoplastic astrocytes expressing v-src, and suggests that RB-1 and TP53 belong to one single complementation group along with v-src in this transgenic model of astrocytoma development. The stochastic development of astrocytic tumors in GFAP-v-src, TP53+/- GFAP-v-src, and RB-1+/- GFAP-v-src transgenic mice indicates that additional hitherto unknown genetic lesions of astrocytes contribute to tumorigenesis, whose elucidation may prove important for our understanding of astrocytoma initiation and progression.

Characterization of polyphosphate synthesis by isolated yeast vacuoles

Polyphosphate (iPOP) is a linear polymer of orthophosphate units linked together by high energy phosphoanhydride bonds. It is found in all organisms, localized in organelles called acidocalcisomes and ranges from a few to few hundred monomers in length. iPOP has been found to play a vast array of roles in all organisms, including phosphate and energy metabolism, regulation of enzymes, virulence, pathogenicity, bone remodelling and blood clotting, among many others. Recently it was found that iPOP levels were increased in myeloma cells. The growing interest in iPOP in human cell lines makes it an interesting molecule to study. However, not much is known about its metabolism in eukaryotes. Acidocalcisomes are electron dense, acidic organelles that belong to the group of Lysosome Related Organelles (LROs). The conservation of acidocalcisomes among all kingdoms of life is suggestive of their important roles for the organisms. However, they are difficult to analyse because of limited biochemical tools for investigation. Yeast vacuoles present remarkable similarities to acidocalcisomes in terms of their physiological and structural features, including synthesis and storage of iPOP, which make them an ideal candidate to study biological processes which are shared between vacuoles and acidocalcisomes. The availability of tools for genetic manipulation and isolation of vacuoles makes yeast a candidate of choice for the characterization of iPOP synthesis in eukaryotes. Our group has identified the Vacuolar Transporter Chaperone (VTC) complex as iPOP polymerase and identified the catalytic subunit (Vtc4). The goal of my study was to characterize the process of iPOP synthesis by isolated vacuoles and to reconstitute iPOP synthesis in liposomes. The first step was to develop a method for monitoring iPOP by isolated vacuoles over time and comparing it with previously known methods. Next, a detailed characterization was performed to determine the modulators of the process, both for intact as well as solubilized vacuoles. Finally, attempts were made to purify the VTC complex and reconstitute it in liposomes. A parallel line of study was the translocation and storage of synthesized iPOP in the lumen of the vacuoles. As a result of this study, it is possible to determine distinct pools of iPOP- inside and outside the vacuolar lumen. Additionally, I establish that the vacuolar lysate withstands harsh steps during reconstitution on liposomes and retains iPOP synthesizing activity. The next steps will be purification of the intact VTC complex and its structure determination by cryo-electron microscopy. - Les organismes vivants sont composés d'une ou plusieurs cellules responsables des processus biologiques élémentaires tels que la digestion, la respiration, la synthèse et la reproduction. Leur environnement interne est en équilibre et ils réalisent un très grand nombre de réactions chimiques et biochimiques pour maintenir cet équilibre. A différents compartiments cellulaires, ou organelles, sont attribuées des tâches spécifiques pour maintenir les cellules en vie. L'étude de ces fonctions permet une meilleure compréhension de la vie et des organismes vivants. De nombreux processus sont bien connus et caractérisés mais d'autres nécessitent encore des investigations détaillées. L'un de ces processus est le métabolisme des polyphosphates. Ces molécules sont des polymères linéaires de phosphate inorganique dont la taille peut varier de quelques dizaines à quelques centaines d'unités élémentaires. Ils sont présents dans tous les organismes, des bactéries à l'homme. Ils sont localisés principalement dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes, des organelles acides observés en microscopie électronique comme des structures denses aux électrons. Les polyphosphates jouent un rôle important dans le stockage et le métabolisme de l'énergie, la réponse au stress, la virulence, la pathogénicité et la résistance aux drogues. Chez l'homme, ils sont impliqués dans la coagulation du sang et le remodelage osseux. De nouvelles fonctions biologiques des polyphosphates sont encore découvertes, ce qui accroît l'intérêt des chercheurs pour ces molécules. Bien que des progrès considérables ont été réalisés afin de comprendre la fonction des polyphosphates chez les bactéries, ce qui concerne la synthèse, le stockage et la dégradation des polyphosphates chez les eucaryotes est mal connu. Les vacuoles de la levure Saccharomyces cerevisiae sont similaires aux acidocalcisomes des organismes supérieurs en termes de structure et de fonction. Les acidocalcisomes sont difficiles à étudier car il n'existe que peu d'outils génétiques et biochimiques qui permettent leur caractérisation. En revanche, les vacuoles peuvent être aisément isolées des cellules vivantes et manipulées génétiquement. Les vacuoles comme les acidocalcisomes synthétisent et stockent les polyphosphates. Ainsi, les découvertes faites grâce aux vacuoles de levures peuvent être extrapolées aux acidocalcisomes des organismes supérieurs. Le but de mon projet était de caractériser la synthèse des polyphosphates par des vacuoles isolées. Au cours de mon travail de thèse, j'ai mis au point une méthode de mesure de la synthèse des polyphosphates par des organelles purifés. Ensuite, j'ai identifié des composés qui modulent la réaction enzymatique lorsque celle-ci a lieu dans la vacuole ou après solubilisation de l'organelle. J'ai ainsi pu mettre en évidence deux groupes distincts de polyphosphates dans le système : ceux au-dehors de la vacuole et ceux en-dedans de l'organelle. Cette observation suggère donc très fortement que les vacuoles non seulement synthétisent les polyphosphates mais aussi transfère les molécules synthétisées de l'extérieur vers l'intérieur de l'organelle. Il est très vraisemblable que les vacuoles régulent le renouvellement des polyphosphates qu'elles conservent, en réponse à des signaux cellulaires. Des essais de purification de l'enzyme synthétisant les polyphosphates ainsi que sa reconstitution dans des liposomes ont également été entrepris. Ainsi, mon travail présente de nouveaux aspects de la synthèse des polyphosphates chez les eucaryotes et les résultats devraient encourager l'élucidation de mécanismes similaires chez les organismes supérieurs. - Les polyphosphates (iPOP) sont des polymères linéaires de phosphates inorganiques liés par des liaisons phosphoanhydres de haute énergie. Ces molécules sont présentes dans tous les organismes et localisées dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes. Elles varient en taille de quelques dizaines à quelques centaines d'unités phosphate. Des fonctions nombreuses et variées ont été attribuées aux iPOP dont un rôle dans les métabolismes de l'énergie et du phosphate, dans la régulation d'activités enzymatiques, la virulence, la pathogénicité, le remodelage osseux et la coagulation sanguine. Il a récemment été montré que les cellules de myélome contiennent une grande quantité de iPOP. Il y donc un intérêt croissant pour les iPOP dans les lignées cellulaires humaines. Cependant, très peu d'informations sur le métabolisme des iPOP chez les eucaryotes sont disponibles. Les acidocalcisomes sont des compartiments acides et denses aux électrons. Ils font partie du groupe des organelles similaires aux lysosomes (LROs pour Lysosome Related Organelles). Le fait que les acidocalcisomes soient conservés dans tous les règnes du vivant montrent l'importance de ces compartiments pour les organismes. Cependant, l'analyse de ces organelles est rendue difficile par l'existence d'un nombre limité d'outils biochimiques permettant leur caractérisation. Les vacuoles de levures possèdent des aspects structuraux et physiologiques très similaires à ceux des acidocalcisomes. Par exemple, ils synthétisent et gardent en réserve les iPOP. Ceci fait des vacuoles de levure un modèle idéal pour l'étude de processus biologiques conservés chez les vacuoles et les acidocalcisomes. De plus, la levure est un organisme de choix pour l'étude de la synthèse des iPOP compte-tenu de l'existence de nombreux outils génétiques et la possibilité d'isoler des vacuoles fonctionnelles. Notre groupe a identifié le complexe VTC (Vacuole transporter Chaperone) comme étant responsable de la synthèse des iPOP et la sous-unité Vtc4p comme celle possédant l'activité catalytique. L'objectif de cette étude était de caractériser le processus de synthèse des iPOP en utilisant des vacuoles isolées et de reconstituer la synthèse des iPOP dans des liposomes. La première étape a consisté en la mise au point d'un dosage permettant la mesure de la quantité de iPOP synthétisés par les organelles isolés en fonction du temps. Cette nouvelle méthode a été comparée aux méthodes décrites précédemment dans la littérature. Ensuite, la caractérisation détaillée du processus a permis d'identifier des composés modulateurs de la réaction à la fois pour des vacuoles intactes et des vacuoles solubilisées. Enfin, des essais de purification du complexe VTC et sa reconstitution dans des liposomes ont été entrepris. De façon parallèle, une étude sur la translocation et le stockage des iPOP dans le lumen des vacuoles a été menée. Il a ainsi été possible de mettre en évidence différents groupes de iPOP : les iPOP localisés à l'intérieur et ceux localisés à l'extérieur des vacuoles isolées. De plus, nous avons observé que le lysat vacuolaire n'est pas détérioré par les étapes de reconstitution dans les liposomes et conserve l'activité de synthèse des iPOP. Les prochaines étapes consisteront en la purification du complexe intact et de la détermination de sa structure par cryo-microscopie électronique.

Effects of trimethyltin (TMT) on glial and neuronal cells in aggregate cultures: dependence on the developmental stage.

Long-term effects of trimethyltin (TMT) applied at concentrations below the cytotoxic level were examined in three-dimensional cell cultures of fetal rat telencephalon using biochemical, immunochemical and morphological criteria. It was found that in immature cultures low concentrations of TMT (10(-8) M) specifically induced a gliotic response in astrocytes, with increased immunoreactivity for glial fibrillary acidic protein, and a greater number of astrocytic processes. Significant changes in oligodendrocytic and neuronal parameters were found only at 10(-6) M of TMT. In differentiated cultures, distinct changes in cell type-specific parameters occurred at 10(-6) M of TMT (the lowest effective concentration). In addition, different patterns of responses were found for astrocytes and oligodendrocytes, as compared to immature cultures. These results suggest that among neural cells, astroblasts are most sensitive to TMT, and that the glial responses to this neurotoxicant are development-dependent.

Aminoterminal amphipathic α-helix AH1 of hepatitis C virus nonstructural protein 4B possesses a dual role in RNA replication and virus production.

Nonstructural protein 4B (NS4B) is a key organizer of hepatitis C virus (HCV) replication complex formation. In concert with other nonstructural proteins, it induces a specific membrane rearrangement, designated as membranous web, which serves as a scaffold for the HCV replicase. The N-terminal part of NS4B comprises a predicted and a structurally resolved amphipathic α-helix, designated as AH1 and AH2, respectively. Here, we report a detailed structure-function analysis of NS4B AH1. Circular dichroism and nuclear magnetic resonance structural analyses revealed that AH1 folds into an amphipathic α-helix extending from NS4B amino acid 4 to 32, with positively charged residues flanking the helix. These residues are conserved among hepaciviruses. Mutagenesis and selection of pseudorevertants revealed an important role of these residues in RNA replication by affecting the biogenesis of double-membrane vesicles making up the membranous web. Moreover, alanine substitution of conserved acidic residues on the hydrophilic side of the helix reduced infectivity without significantly affecting RNA replication, indicating that AH1 is also involved in virus production. Selective membrane permeabilization and immunofluorescence microscopy analyses of a functional replicon harboring an epitope tag between NS4B AH1 and AH2 revealed a dual membrane topology of the N-terminal part of NS4B during HCV RNA replication. Luminal translocation was unaffected by the mutations introduced into AH1, but was abrogated by mutations introduced into AH2. In conclusion, our study reports the three-dimensional structure of AH1 from HCV NS4B, and highlights the importance of positively charged amino acid residues flanking this amphipathic α-helix in membranous web formation and RNA replication. In addition, we demonstrate that AH1 possesses a dual role in RNA replication and virus production, potentially governed by different topologies of the N-terminal part of NS4B.

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

Mineral zoning and geochemistry of epithermal polymetallic Zn-Pb-Ag-Cu-Bi mineralization at Cerro de Pasco, Peru

The large Cerro de Pasco Cordilleran base metal deposit in central Peru is located on the eastern margin of a middle Miocene diatreme-dome complex and comprises two mineralization stages. The first stage consists of a large pyrite-quartz body replacing Lower Mesozoic Pucara carbonate rocks and, to a lesser extent, diatreme breccia. This body is composed of pyrite with pyrrhotite inclusions, quartz, and black and red chalcedony (containing hypogene hematite). At the contact with the pyrite-quartz body, the diatreme breccia is altered to pyrite-quartz-sericite-pyrite. This body was, in part, replaced by pipelike pyrrhotite bodies zoned outward to carbonate-replacement Zn-Pb ores hearing Fe-rich sphalerite (up to 24 mol % Fes). The second mineralization stage is partly superimposed on the first and consists of zoned east-west-trending Cu-Ag-(Au-Zn-Pb) enargite-pyrite veins hosted in the diatreme breccia in the western part of the deposit and well-zoned Zn-Pb-(Bi-Ag-Cu) carbonate-replacement orebodies; in both cases, sphalerite is Fe poor and the inner parts of the orebodies show typically advanced argillic alteration assemblages, including aluminum phosphate Sulfate (APS) minerals. The zoned enargite-pyrite veins display mineral zoning, from a core of enargite-pyrite +/- alunite with traces of Au, through an intermediate zone of tennantite, chalcopyrite, and Bi minerals to a poorly developed Outer zone hearing sphalerite-galena +/- kaolinite. The carbonate-hosted replacement ores are controlled along N 35 degrees E, N 90 degrees E, N 120 degrees E, and N 170 degrees E faults. They form well-zoned upward-flaring pipelike orebodies with a core of famatinite-pyrite and alunite, an intermediate zone with tetrahedrite-pyrite, chalcopyrite, matildite, cuprobismutite, emplectite, and other Bi minerals accompanied by APS minerals, kaolinite, and dickite, and an outer zone composed of Fe-poor sphalerite (in the range of 0.05-3.5 mol % Fes) and galena. The outermost zone consists of hematite, magnetite, and Fe-Mn-Zn-Ca-Mg carbonates. Most of the second-stage carbonate-replacement orebodies plunge between 25 degrees and 60 degrees to the west, suggesting that the hydrothermal fluids ascended from deeper levels and that no lateral feeding from the veins to the carbonate-replacement orebodies took place. In the Venencocha and Santa Rosa areas, located 2.5 km northwest of the Cerro de Pasco open pit and in the southern part of the deposit, respectively, advanced argillic altered dacitic domes and oxidized veins with advanced argillic alteration halos occur. The latter veins are possibly the oxidized equivalent of the second-stage enargite-pyrite veins located in the western part of the deposit. The alteration assemblage quartz-muscovite-pyrite associated with the pyrite-quartz body suggests that the first stage precipitated at slightly, acidic fin. The sulfide mineral assemblages define an evolutionary path close to the pyrite-pyrrhotite boundary and are characteristic of low-sulfidation states; they suggest that the oxidizing slightly acidic hydrothermal fluid was buffered by phyllite, shale, and carbonate host rock. However, the presence in the pyrite-quartz body of hematite within quartz suggests that, locally, the fluids were less buffered by the host rock. The mineral assemblages of the second mineralization stage are characteristic of high- to intermediate-sulfidation states. High-sulfidation states and oxidizing conditions were achieved and maintained in the cores of the second-stage orebodies, even in those replacing carbonate rocks. The observation that, in places, second-stage mineral assemblages are found in the inner and outer zones is explained in terms of the hydrothermal fluid advancing and waning. Microthermometric data from fluid inclusions in quartz indicate that the different ores of the first mineralization stage formed at similar temperatures and moderate salinities (200 degrees-275 degrees C and 0.2-6.8 wt % NaCl equiv in the pyrite-quartz body; 192 degrees-250 degrees C and 1.1-4.3 wt % NaCl equiv in the pyrrhotite bodies; and 183 degrees-212 degrees C and 3.2-4.0 wt % NaCl equiv in the Zn-Pb ores). These values are similar to those obtained for fluid inclusions in quartz and sphalerite from the second-stage ores (187 degrees-293 degrees C and 0.2-5.2 wt % NaCl equiv in the enargite-pyrite veins: 178 degrees-265 degrees C and 0.2-7.5 wt % NaCl equiv in quartz of carbonate-replacement orebodies; 168 degrees-999 degrees C and 3-11.8 wt % NaCl equiv in sphalerite of carbonate-replacement orebodies; and 245 degrees-261 degrees C and 3.2-7.7 wt % NaCl equiv in quartz from Venencocha). Oxygen and hydrogen isotope compositions oil kaolinite from carbonate-replacement orebodies (delta(18)O = 5.3-11.5%o, delta D = -82 to -114%o) and on alunite from the Venencocha and Santa Rosa areas (delta(18)O = 1.9-6.9%o, delta D = -56 to -73%o). Oxygen isotope compositions of quartz from the first and second stages have 6180 values from 9.1 to 1.7.8 per mil. Calculated fluids in equilibrium with kaolinite have delta(18)O values of 2.0 to 8.2 and delta D values of -69 to -97 per mil; values in equilibrium with alunite are -1.4 to -6.4 and -62 to -79 per mil. Sulfur isotope compositions of sulfides from both stages have a narrow range of delta(34)S values, between -3.7 and +4.2 per mil; values for sulfates from the second stage are between 4.2 and 31.2 per mil. These results define two mixing trends for the ore-forming fluids. The first trend reflects mixing between a moderately saline (similar to 10 wt % NaCl equiv) magmatic end member that had degassed (as indicated by the low delta D values) and meteoric water. The second mixing indicates condensation of magmatic vapor with HCl and SO(2) into meteoric water, which formed alunite. The hydrothermal system at Cerro de Pasco was emplaced at a shallow depth (similar to 500 m) in the epithermal and upper part of a porphyry environment. The similar temperatures and salinities obtained for the first stage and second stages, together with the stable isotope data, indicate that both stages are linked and represent successive stages of epithermal polymetallic mineralization in the upper part of a porphyry system.

Stable isotope (C, O, S) systematics of the mercury mineralization at Idrija, Slovenia: constraints on fluid source and alteration processes

The world-class Idrija mercury deposit (western Slovenia) is hosted by highly deformed Permocarboniferous to Middle Triassic sedimentary rocks within a complex tectonic structure at the transition between the External Dinarides and the Southern Alps. Concordant and discordant mineralization formed concomitant with Middle Triassic bimodal volcanism in an aborted rift. A multiple isotopic (C, O, S) investigation of host rocks and ore minerals was performed to put constraints on the source and composition of the fluid, and the hydrothermal alteration. The distributions of the delta(13)C and delta(18)O values of host and gangue carbonates are indicative of a fracture-controlled hydrothermal system, with locally high fluid-rock ratios. Quantitative modeling of the delta(13)C and delta(18)O covariation for host carbonates during temperature dependent fluid-rock interaction, and concomitant precipitation of void-filling dolomites points to a slightly acidic hydrothermal fluid (delta(13)Capproximate to-4parts per thousand and delta(18)Oapproximate to+10parts per thousand), which most likely evolved during isotopic exchange with carbonates under low fluid/rock ratios. The delta(34)S values of hydrothermal and sedimentary sulfur minerals were used to re-evaluate the previously proposed magmatic and evaporitic sulfur sources for the mineralization, and to assess the importance of other possible sulfur sources such as the contemporaneous seawater sulfate, sedimentary pyrite, and organic sulfur compounds. The delta(34)S values of the sulfides show a large variation at deposit down to hand-specimen scale. They range for cinnabar and pyrite from -19.1 to +22.8parts per thousand, and from -22.4 to +59.6parts per thousand, respectively, suggesting mixing of sulfur from different sources. The peak of delta(34)S values of cinnabar and pyrite close to 0parts per thousand is compatible with ore sulfur derived dominantly from a magmatic fluid and/or from hydrothermal leaching of basement rocks. The similar stratigraphic trends of the delta(34)S values of both cinnabar and pyrite suggest a minor contribution of sedimentary sulfur (pyrite and organic sulfur) to the ore formation. Some of the positive delta(34)S values are probably derived from thermochemical reduction of evaporitic and contemporaneous seawater sulfates.