Study of conformational changes of ASIC1a by voltage-clamp fluorometry

Le fonctionnement du système nerveux est sensible aux variations de la concentration d'acide. Une acidification des tissus peut se produire pendant une activité neuronale intense ou dans des situations physiopathologiques telles que l'inflammation ou les lésions cérébrales. Les canaux ioniques sensibles à l'acide (ASIC) sont activés par acidification et jouent un rôle important dans la détection des changements d'acide. Les ASICs contribuent à la dégénérescence neuronale après une lésion cérébrale, puisque leur inhibition limite la lésion neuronale. L'acidification induite par une inflammation du tissu nerveux conduit à des stimuli de douleur, qui sont détectés par ces canaux. En effet, les toxines qui bloquent spécifiquement les ASICs montrent des effets analgésiques dans des modèles animaux. La structure 3D d'ASIC peut être comparée à une main qui tient une boule entre son pouce et le doigt. Les différents domaines d'ASIC sont appelés doigt, pouce, jointure, boule-ß et paume. Les domaines transmembranaires représentent le poignet de cette main. Mon projet de thèse vise à décrire les mouvements survenant sur ce canal pendant son activité. A cet effet, j'ai utilisé une technique combinée qui permet la mesure des mouvements en temps réel durant l'activité du canal. J'ai montré les réarrangements des domaines extracellulaires pendant l'activité ASIC. Ces mouvements sont transmis au pore du canal, ou ils contrôlent sa fermeture et ouverture. La direction de ces mouvements a été évaluée pour les domaines doigt et jointure, et nous avons montré qu'ils s'éloignent de la boule-ß lors de l'acidification. J'ai également été en mesure de décrire les mouvements qui se produisent dans la poche acidique, une zone qui est considérée comme importante, car elle représente le site de liaison de certaines toxines de venin qui agissent sur les ASICs. J'ai ainsi pu montrer que les domaines doigt et le pouce qui forment la poche acidique se rapprochent l'un de l'autre pendant l'activation du canal. Ces résultats sont en accord avec des observations précédentes réalisées sur les ASICs par d'autres chercheurs. Enfin, cette analyse approfondie permet d'améliorer les connaissances sur le contrôle de l'activité ASIC; de plus, les mécanismes trouvés ici sont probablement partagés entre les canaux de la famille à laquelle appartiennent les ASICs. -- Les acid-sensing ion channels (ASICs) sont des canaux sodiques ouverts par les protons et principalement exprimés dans le système nerveux. Ils sont impliqués dans la détection des protons dans de nombreux états physiologiques et pathologiques comme l'ischémie et la perception de la douleur. La structure cristalline de l'isoforme ASIC1 de poulet a été déterminée dans l'état désensibilisé et ouvert. Les études fonctionnelles indiquent que la protonation des résidus clés dans la boucle extracellulaire déclenche des changements de conformation conduisant à l'ouverture du canal. Cependant, les mécanismes moléculaires qui relient la protonation à l'ouverture et la fermeture du canal n'ont pas encore été clarifiés. Dans cette étude, nous avons utilisé la voltage-clamp fluorimétrie (VCF) pour révéler les mouvements de l'activité associée qui se produisent dans les différents domaines de l'ASICla. Les fluorophores positionnés dans le pouce, la paume, le doigt, l'articulation et dans les domaines de l'entrée du pore extracellulaire ont montré des signaux de VCF liés à des changements de conformation au cours de l'activité du canal. La synchronisation des changements de fluorescence indique une séquence complexe de mouvements en fonction du pH. La cinétique de la fluorescence et des signaux de courant ont été comparés les uns aux autres afin de déterminer si le mouvement détecté par le signal de fluorescence correspond à une transition fonctionnelle définie du canal. Certains des résidus testés se sont révélés être étroitement liés à la désensibilisation du canal ou au rétablissement après la désensibilisation. En outre, nous avons trouvé qu'un tryptophane endogène de la boule-ß diminue le signal de fluorescence des sondes positionnées dans les domaines doigt et jointure. L'augmentation observée de ces signaux indique que ces domaines s'éloignent à une distance à partir de la boucle de la boule-ß. Sur la base de ce principe, nous avons généré des paires Trp-Cys « quencher», dans lequel le Cys est utilisé comme site d'ancrage pour attacher le fluorophore. Ensuite, nous avons évalué les changements de conformation qui se produisent au niveau de la poche acide, une zone importante pour la fonction et la régulation d'ASIC. Les signaux de fluorescence indiquent un mouvement de l'hélice supérieure du pouce vers le doigt et une rotation de la boule-ß dans le sens horaire. L'analyse de la cinétique indique que les mouvements des sous-domaines qui composent la poche acide se produisent pendant la désensibilisation du canal. Mon projet de doctorat représente la première analyse approfondie des changements conformationnels dépendants de l'activité des ASICs et fournit des informations sur les mécanismes de contrôle de l'activité du canal qui sont probablement partagés avec d'autres canaux proches.

Whole brain radiotherapy with a conformational external beam radiation boost for lung cancer patients with 1-3 brain metastasis: a multi institutional study.

BACKGROUND: To determine the outcome of patients with brain metastasis (BM) from lung cancer treated with an external beam radiotherapy boost (RTB) after whole brain radiotherapy (WBRT). METHODS: A total of 53 BM patients with lung cancer were treated sequentially with WBRT and RTB between 1996 and 2008 according to our institutional protocol. Mean age was 58.8 years. The median KPS was 90. Median recursive partitioning analysis (RPA) and graded prognostic assessment (GPA) grouping were 2 and 2.5, respectively. Surgery was performed on 38 (71%) patients. The median number of BM was 1 (range, 1-3). Median WBRT and RTB combined dose was 39 Gy (range, 37.5-54). Median follow-up was 12.0 months. RESULTS: During the period of follow-up, 37 (70%) patients died. The median overall survival (OS) was 14.5 months. Only 13 patients failed in the brain. The majority of patients (n = 29) failed distantly. The 1-year OS, -local control, extracranial failure rates were 61.2%, 75.2% and 60.8%, respectively. On univariate analysis, improved OS was found to be significantly associated with total dose (< or = 39 Gy vs. > 39 Gy; p < 0.01), age < 65 (p < 0.01), absence of extracranial metastasis (p < 0.01), GPA > or = 2.5 (p = 0.01), KPS > or = 90 (p = 0.01), and RPA < 2 (p = 0.04). On multivariate analysis, total dose (p < 0.01) and the absence of extracranial metastasis (p = 0.03) retained statistical significance. CONCLUSIONS: The majority of lung cancer patients treated with WBRT and RTB progressed extracranially. There might be a subgroup of younger patients with good performance status and no extracranial disease who may benefit from dose escalation after WBRT to the metastatic site.

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.

Molecular modeling study of the binding and signaling properties of the TCRpMHC complex

The activation of the specific immune response against tumor cells is based on the recognition by the CD8+ Cytotoxic Τ Lymphocytes (CTL), of antigenic peptides (p) presented at the surface of the cell by the class I major histocompatibility complex (MHC). The ability of the so-called T-Cell Receptors (TCR) to discriminate between self and non-self peptides constitutes the most important specific control mechanism against infected cells. The TCR/pMHC interaction has been the subject of much attention in cancer therapy since the design of the adoptive transfer approach, in which Τ lymphocytes presenting an interesting response against tumor cells are extracted from the patient, expanded in vitro, and reinfused after immunodepletion, possibly leading to cancer regression. In the last decade, major progress has been achieved by the introduction of engineered lypmhocytes. In the meantime, the understanding of the molecular aspects of the TCRpMHC interaction has become essential to guide in vitro and in vivo studies. In 1996, the determination of the first structure of a TCRpMHC complex by X-ray crystallography revealed the molecular basis of the interaction. Since then, molecular modeling techniques have taken advantage of crystal structures to study the conformational space of the complex, and understand the specificity of the recognition of the pMHC by the TCR. In the meantime, experimental techniques used to determine the sequences of TCR that bind to a pMHC complex have been used intensively, leading to the collection of large repertoires of TCR sequences that are specific for a given pMHC. There is a growing need for computational approaches capable of predicting the molecular interactions that occur upon TCR/pMHC binding without relying on the time consuming resolution of a crystal structure. This work presents new approaches to analyze the molecular principles that govern the recognition of the pMHC by the TCR and the subsequent activation of the T-cell. We first introduce TCRep 3D, a new method to model and study the structural properties of TCR repertoires, based on homology and ab initio modeling. We discuss the methodology in details, and demonstrate that it outperforms state of the art modeling methods in predicting relevant TCR conformations. Two successful applications of TCRep 3D that supported experimental studies on TCR repertoires are presented. Second, we present a rigid body study of TCRpMHC complexes that gives a fair insight on the TCR approach towards pMHC. We show that the binding mode of the TCR is correctly described by long-distance interactions. Finally, the last section is dedicated to a detailed analysis of an experimental hydrogen exchange study, which suggests that some regions of the constant domain of the TCR are subject to conformational changes upon binding to the pMHC. We propose a hypothesis of the structural signaling of TCR molecules leading to the activation of the T-cell. It is based on the analysis of correlated motions in the TCRpMHC structure. - L'activation de la réponse immunitaire spécifique dirigée contre les cellules tumorales est basée sur la reconnaissance par les Lymphocytes Τ Cytotoxiques (CTL), d'un peptide antigénique (p) présenté à la suface de la cellule par le complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (MHC). La capacité des récepteurs des lymphocytes (TCR) à distinguer les peptides endogènes des peptides étrangers constitue le mécanisme de contrôle le plus important dirigé contre les cellules infectées. L'interaction entre le TCR et le pMHC est le sujet de beaucoup d'attention dans la thérapie du cancer, depuis la conception de la méthode de transfer adoptif: les lymphocytes capables d'une réponse importante contre les cellules tumorales sont extraits du patient, amplifiés in vitro, et réintroduits après immunosuppression. Il peut en résulter une régression du cancer. Ces dix dernières années, d'importants progrès ont été réalisés grâce à l'introduction de lymphocytes modifiés par génie génétique. En parallèle, la compréhension du TCRpMHC au niveau moléculaire est donc devenue essentielle pour soutenir les études in vitro et in vivo. En 1996, l'obtention de la première structure du complexe TCRpMHC à l'aide de la cristallographie par rayons X a révélé les bases moléculaires de l'interaction. Depuis lors, les techniques de modélisation moléculaire ont exploité les structures expérimentales pour comprendre la spécificité de la reconnaissance du pMHC par le TCR. Dans le même temps, de nouvelles techniques expérimentales permettant de déterminer la séquence de TCR spécifiques envers un pMHC donné, ont été largement exploitées. Ainsi, d'importants répertoires de TCR sont devenus disponibles, et il est plus que jamais nécessaire de développer des approches informatiques capables de prédire les interactions moléculaires qui ont lieu lors de la liaison du TCR au pMHC, et ce sans dépendre systématiquement de la résolution d'une structure cristalline. Ce mémoire présente une nouvelle approche pour analyser les principes moléculaires régissant la reconnaissance du pMHC par le TCR, et l'activation du lymphocyte qui en résulte. Dans un premier temps, nous présentons TCRep 3D, une nouvelle méthode basée sur les modélisations par homologie et ab initio, pour l'étude de propriétés structurales des répertoires de TCR. Le procédé est discuté en détails et comparé à des approches standard. Nous démontrons ainsi que TCRep 3D est le plus performant pour prédire des conformations pertinentes du TCR. Deux applications à des études expérimentales des répertoires TCR sont ensuite présentées. Dans la seconde partie de ce travail nous présentons une étude de complexes TCRpMHC qui donne un aperçu intéressant du mécanisme d'approche du pMHC par le TCR. Finalement, la dernière section se concentre sur l'analyse détaillée d'une étude expérimentale basée sur les échanges deuterium/hydrogène, dont les résultats révèlent que certaines régions clés du domaine constant du TCR sont sujettes à un changement conformationnel lors de la liaison au pMHC. Nous proposons une hypothèse pour la signalisation structurelle des TCR, menant à l'activation du lymphocyte. Celle-ci est basée sur l'analyse des mouvements corrélés observés dans la structure du TCRpMHC.

Real-time monitoring of protein conformational changes using a nano-mechanical sensor.

Proteins can switch between different conformations in response to stimuli, such as pH or temperature variations, or to the binding of ligands. Such plasticity and its kinetics can have a crucial functional role, and their characterization has taken center stage in protein research. As an example, Topoisomerases are particularly interesting enzymes capable of managing tangled and supercoiled double-stranded DNA, thus facilitating many physiological processes. In this work, we describe the use of a cantilever-based nanomotion sensor to characterize the dynamics of human topoisomerase II (Topo II) enzymes and their response to different kinds of ligands, such as ATP, which enhance the conformational dynamics. The sensitivity and time resolution of this sensor allow determining quantitatively the correlation between the ATP concentration and the rate of Topo II conformational changes. Furthermore, we show how to rationalize the experimental results in a comprehensive model that takes into account both the physics of the cantilever and the dynamics of the ATPase cycle of the enzyme, shedding light on the kinetics of the process. Finally, we study the effect of aclarubicin, an anticancer drug, demonstrating that it affects directly the Topo II molecule inhibiting its conformational changes. These results pave the way to a new way of studying the intrinsic dynamics of proteins and of protein complexes allowing new applications ranging from fundamental proteomics to drug discovery and development and possibly to clinical practice.