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

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

Rapid and selective surveillance of Arabidopsis thaliana genome annotations with Centrifuge.

Centrifuge is a user-friendly system to simultaneously access Arabidopsis gene annotations and intra- and inter-organism sequence comparison data. The tool allows rapid retrieval of user-selected data for each annotated Arabidopsis gene providing, in any combination, data on the following features: predicted protein properties such as mass, pI, cellular location and transmembrane domains; SWISS-PROT annotations; Interpro domains; Gene Ontology records; verified transcription; BLAST matches to the proteomes of A.thaliana, Oryza sativa (rice), Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster and Homo sapiens. The tool lends itself particularly well to the rapid analysis of contigs or of tens or hundreds of genes identified by high-throughput gene expression experiments. In these cases, a summary table of principal predicted protein features for all genes is given followed by more detailed reports for each individual gene. Centrifuge can also be used for single gene analysis or in a word search mode. AVAILABILITY: http://centrifuge.unil.ch/ CONTACT: edward.farmer@unil.ch.

La coordination scientifique dans les investigations criminelles: Proposition d'organisation, aspects éthiques ou de la nécessité d'un nouveau métier.

La criminalistique prend une place de plus en plus grande dans l'enquête judiciaire. Les enjeux scientifiques depuis la scène d'investigation jusqu'au procès pénal sont multiples. De nombreux intervenants sont amenés à se côtoyer : techniciens, scientifiques, médecins légistes, enquêteurs et magistrats. Des tensions sont perceptibles entre ceux-ci mais également quant à la place de la science dans le processus pénal. La raison principale de cette situation est que la prise en compte de l'indice matériel, dans l'enquête judiciaire et le procès pénal, n'est pas clairement établie. La formation des juristes et des enquêteurs ne leur permet pas de superviser les enquêtes scientifiques. Le rôle et la place des scientifiques dans l'enquête criminelle doivent être réexaminés. Par ailleurs, les méthodes de raisonnement en matière d'investigations scientifiques dans une affaire judiciaires sont complexes. Leur mauvaise appréhension participe aux tensions qui sont relevées. Ces méthodes doivent être approfondies. Le raisonnement médical constitue un modèle possible. Il s'enrichit de travaux menés en sémiotique. La résolution des tensions passe par la mise en place d'un nouveau personnage, le coordinateur criminalistique. Cela constitue un changement paradigmatique et une nouvelle activité scientifique complexe. Ce scientifique s'associe à l'enquêteur et au magistrat tout au long du processus judiciaire, depuis la scène d'investigation jusqu'au procès pénal. Ce paradigme s'impose quel que soit le modèle judiciaire, accusatoire ou inquisitoire et les structures institutionnelles. Cette thèse propose que ce coordinateur criminalistique soit un scientifique de haut niveau qui bénéficie d'une solide formation théorique et pratique. Cette approche est fondamentalement éthique car elle se focalise sur un témoin matériel, garantit la préservation des droits humains et définit un processus transparent et équilibré dans l'élaboration de la preuve.

Novel acid phosphatase in Candida glabrata suggests selective pressure and niche specialization in the phosphate signal transduction pathway.

Evolution through natural selection suggests unnecessary genes are lost. We observed that the yeast Candida glabrata lost the gene encoding a phosphate-repressible acid phosphatase (PHO5) present in many yeasts including Saccharomyces cerevisiae. However, C. glabrata still had phosphate starvation-inducible phosphatase activity. Screening a C. glabrata genomic library, we identified CgPMU2, a member of a three-gene family that contains a phosphomutase-like domain. This small-scale gene duplication event could allow for sub- or neofunctionalization. On the basis of phylogenetic and biochemical characterizations, CgPMU2 has neofunctionalized to become a broad range, phosphate starvation-regulated acid phosphatase, which functionally replaces PHO5 in this pathogenic yeast. We determined that CgPmu2, unlike ScPho5, is not able to hydrolyze phytic acid (inositol hexakisphosphate). Phytic acid is present in fruits and seeds where S. cerevisiae grows, but is not abundant in mammalian tissues where C. glabrata grows. We demonstrated that C. glabrata is limited from an environment where phytic acid is the only source of phosphate. Our work suggests that during evolutionary time, the selection for the ancestral PHO5 was lost and that C. glabrata neofunctionalized a weak phosphatase to replace PHO5. Convergent evolution of a phosphate starvation-inducible acid phosphatase in C. glabrata relative to most yeast species provides an example of how small changes in signal transduction pathways can mediate genetic isolation and uncovers a potential speciation gene.

Vascular Effects of RWJ-676070, a Selective Combined V-1a/V-2 Vasopressin Receptor Antagonist

In recent years, several vasopressin antagonists have been developed that block V-1 receptors either selectively or nonselectively.(1,2) To date, one combined V-1/V-2 antagonist (primarily a V-2 antagonist, as determined on the basis of human receptor binding data), conivaptan, has been approved for the treatment of euvolemic hyponatremia.(3,4) We have previously shown that the vascular properties of a vasopressin V-1 antagonist can be investigated safely and reliably in healthy subjects. We used the measurement of skin blood flow after intradermic injection of exogenous arginine vasopressin on a skin area prevasodilated with calcitonin gene-related peptide (CGRP).(3,5) This technique enables the documentation of the dose-dependent effects of vasopressin or vasopressin antagonists. In this study, we have characterized the V-1a pharmacodynamic profile of increasing doses of RWJ-676070, a new orally active dual V-1a/V-2 receptor antagonist, in healthy subjects.(5)

Spectrally selective B1-insensitive T2 magnetization preparation sequence.

A T(2) magnetization-preparation (T(2) Prep) sequence is proposed that is insensitive to B(1) field variations and simultaneously provides fat suppression without any further increase in specific absorption rate (SAR). Increased B(1) inhomogeneity at higher magnetic field strength (B(0) > or = 3T) necessitates a preparation sequence that is less sensitive to B(1) variations. For the proposed technique, T(2) weighting in the image is achieved using a segmented B(1)-insensitive rotation (BIR-4) adiabatic pulse by inserting two equally long delays, one after the initial reverse adiabatic half passage (AHP), and the other before the final AHP segment of a BIR-4 pulse. This sequence yields T(2) weighting with both B(1) and B(0) insensitivity. To simultaneously suppress fat signal (at the cost of B(0) insensitivity), the second delay is prolonged so that fat accumulates additional phase due to its chemical shift. Numerical simulations as well as phantom and in vivo image acquisitions were performed to show the efficacy of the proposed technique.

Free-breathing renal MR angiography with steady-state free-precession (SSFP) and slab-selective spin inversion: initial results.

BACKGROUND: The aim of our study was the investigation of a novel navigator-gated three-dimensional (3D) steady-state free-precession (SSFP) sequence for free-breathing renal magnetic resonance angiography (MRA) without contrast medium, and to examine the advantage of an additional inversion prepulse for improved contrast. METHODS: Eight healthy volunteers (mean age 29 years) and eight patients (mean age 53 years) were investigated on a 1.5 Tesla MR system (ACS-NT, Philips, Best, The Netherlands). Renal MRA was performed using three navigator-gated free-breathing cardiac-triggered 3D SSFP sequences [repetition time (TR) = 4.4 ms, echo time (TE) = 2.2 ms, flip angle 85 degrees, spatial resolution 1.25 x 1.25 x 4.0 mm(3), scanning time approximately 1 minute 30 seconds]. The same sequence was performed without magnetization preparation, with a non-slab selective and a slab-selective inversion prepulse. Signal-to-noise ratio (SNR), contrast-to-noise (CNR) vessel length, and subjective image quality were compared. RESULTS: Three-dimensional SSFP imaging combined with a slab-selective inversion prepulse enabled selective and high contrast visualization of the renal arteries, including the more distal branches. Standard SSFP imaging without magnetization preparation demonstrated overlay by veins and renal parenchyma. A non-slab-selective prepulse abolished vessel visualization. CNR in SSFP with slab-selective inversion was 43.6 versus 10.6 (SSFP without magnetization preparation) and 0.4 (SSFP with non-slab-selective inversion), P < 0.008. CONCLUSION: Navigator-gated free-breathing cardiac-triggered 3D SSFP imaging combined with a slab-selective inversion prepulse is a novel, fast renal MRA technique without the need for contrast media.

Understanding mutational and selective processes that govern gene duplication in mammals

Abstract : Gene duplication is an essential source of material for the origin of genetic novelties. The reverse transcription of source gene mRNA followed by the genomic insertion of the resulting cDNA - retroposition - has provided the human genome with at least ~3600 detectable retrocopies. We find that ~30% of these retrocopies are transcribed, generally in testes. Their transcription often relies on preexisting regulatory elements (or open chromatin) close to their insertion site, which is illustrated by mRNA molecules containing retrocopies fused to their neighboring genes. Retrocopies appear to have been profoundly shaped by selection. Consistently, human retrocopies with an intact open reading (ORF) are more often transcribed than retropseudogenes, which leads to a minimal estimate of 120 functional retrogenes present in our genome. We also performed an analysis of Ka/Ks for human retrocopies. This analysis demonstrates that several intact retrocopies evolved under purifying selection and yields an estimated formation rate of ~1 retrogene per million year in the primate lineage. Using DNA sequencing and evolutionary simulations, we have identified 7 such primate-specific retrogenes that emerged on the lineage leading to humans In therian genomes, we found an excess of retrogenes with X-linked parents. Expression analyses support the idea that this "out of X" movement was driven by natural selection to produce autosomal functional counterparts for X-linked genes, which are silenced during male meiosis. Phylogenetic dating of this "out of X" movement suggests that our sex chromosomes arose about 180 MYA ago and are thus much younger than previously thought. Finally, we have also analyzed young gene duplications (and deletions) that arose by non allelic-homologous recombination and are not fixed in species. Using wild-caught and laboratory animals, we detected thousands of DNA segments that are polymorphic in copy number in mice. These copy number variants were found to profoundly alter the transcriptome of several mouse tissues. Strikingly, their influence on gene expression is not limited to the gene they contain but seems to extend to genes located up to 1.5 million bases away.

Selective in vivo visualization of immune-cell infiltration in a mouse model of autoimmune myocarditis by fluorine-19 cardiac magnetic resonance.

BACKGROUND: The goal of this study was to characterize the performance of fluorine-19 ((19)F) cardiac magnetic resonance (CMR) for the specific detection of inflammatory cells in a mouse model of myocarditis. Intravenously administered perfluorocarbons are taken up by infiltrating inflammatory cells and can be detected by (19)F-CMR. (19)F-labeled cells should, therefore, generate an exclusive signal at the inflamed regions within the myocardium. METHODS AND RESULTS: Experimental autoimmune myocarditis was induced in BALB/c mice. After intravenous injection of 2×200 µL of a perfluorocarbon on day 19 and 20 (n=9) after immunization, in vivo (19)F-CMR was performed at the peak of myocardial inflammation (day 21). In 5 additional animals, perfluorocarbon combined with FITC (fluorescein isothiocyanate) was administered for postmortem immunofluorescence and flow-cytometry analyses. Control experiments were performed in 9 animals. In vivo (19)F-CMR detected myocardial inflammation in all experimental autoimmune myocarditis-positive animals. Its resolution was sufficient to identify even small inflammatory foci, that is, at the surface of the right ventricle. Postmortem immunohistochemistry and flow cytometry confirmed the presence of perfluorocarbon in macrophages, dendritic cells, and granulocytes, but not in lymphocytes. The myocardial volume of elevated (19)F signal (rs=0.96; P<0.001), the (19)F signal-to-noise ratio (rs=0.92; P<0.001), and the (19)F signal integral (rs=0.96; P<0.001) at day 21 correlated with the histological myocarditis severity score. CONCLUSIONS: In vivo (19)F-CMR was successfully used to visualize the inflammation specifically and robustly in experimental autoimmune myocarditis, and thus allowed for an unprecedented insight into the involvement of inflammatory cells in the disease process.

On the dual contrast enhancement mechanism in frequency-selective inversion-recovery magnetic resonance angiography (IRON-MRA)

The susceptibility of blood changes after administration of a paramagnetic contrast agent that shortens T(1). Concomitantly, the resonance frequency of the blood vessels shifts in a geometry-dependent way. This frequency change may be exploited for incremental contrast generation by applying a frequency-selective saturation prepulse prior to the imaging sequence. The dual origin of vascular enhancement depending first on off-resonance and second on T(1) lowering was investigated in vitro, together with the geometry dependence of the signal at 3T. First results obtained in an in vivo rabbit model are presented.