Roles of aldehyde dehydrogenase (ALDH) isoforms and retinoic acids in the growth and differentiation potential of human adult cardiac progenitor cells

Aim: We have studied human adult cardiac progenitor cells (CPCs) based on high aldehyde dehydrogenase activity (ALDH-hi), a property shared by many stem cells across tissues and organs. However, the role of ALDH in stem cell function is poorly known. In humans, there are 19 ALDH isoforms with different biological activities. The isoforms responsible for the ALDH-hi phenotype of stem cells are not well known but they may include ALDH1A1 and ALDH1A3 isoforms, which function in all-trans retinoic acid (RA) cell signaling. ALDH activity has been shown to regulate hematopoietic stem cell function via RA. We aimed to analyze ALDH isoform expression and the role of RA in human CPC function. Methods: Human adult CPCs were isolated from atrial appendage samples from patients who underwent heart surgery for coronary artery or valve disease. Atrial samples were either cultured as primary explants or enzymatically digested and sorted for ALDH activity by FACS. ALDH isoforms were determined by qRT-PCR. Cells were cultured in the presence or absence of the specific ALDH inhibitor DEAB, with or without RA. Induction of cardiac-specific genes in cells cultured in differentiation medium was measured by qRT-PCR. Results: While ALDH-hi CPCs grew in culture and could be expanded, ALDH-low cells grew poorly. CPC isolated as primary explant outgrowths expressed high levels of ALDH1A3 but not of other isoforms. CPCs isolated from cardiospheres expressed relatively high levels of all the 11 isoforms tested. In contrast, expanded CPCs and cardiosphere-derived cells expressed low levels of all ALDH isoforms. DEAB inhibited CPC growth in a dose-dependent manner, whereas RA rescued CPC growth in the presence of DEAB. In differentiation medium, ALDH-hi CPCs expressed approximately 300-fold higher levels of cardiac troponin T compared with their ALDH-low counterparts. Conclusions: High ALDH activity identifies human adult cardiac cells with high growth and cardiomyogenic potential. ALDH1A3 and, possibly, ALDH1A1 isoforms account for high ALDH activity and RA-mediated regulation of CPC growth.

Separation of free amino acids in human plasma by capillary electrophoresis with laser induced fluorescence: potential for emergency diagnosis of inborn errors of metabolism.

Free amino acids (AAs) in human plasma are derivatized with 3-(4-carboxybenzoyl)quinoline-2-carboxaldehyde (CBQCA) and analyzed by capillary electrophoresis (CE) with laser induced fluorescence (LIF) detection. The labeling procedure is significantly improved over results reported previously. Derivatization can be completed in 40 min, with concentrations as low as 4 x 10(-8) M successfully labeled in favourable cases. Twenty-nine AAs (including 2 internal standards) are identified and can be reproducibly separated in 70 min. Migration time RSD values for 23 of these AAs were calculated and found in the range from 0.5 to 4%. The rapid derivatization procedure and the resolution obtained in the separation are sufficient for a semi-quantitative, emergency diagnosis of several inborn errors of metabolism (IEM). Amino acid profiles for both normal donor plasma samples and plasma samples of patients suffering from phenylketonuria, tyrosinemia, maple syrup urinary disease, hyperornithinemia, and citrullinemia are studied.

Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.

Comparison of differential gene expression to water stress among bacteria with relevant pollutant-degradation properties.

Resistance to semi-dry environments has been considered a crucial trait for superior growth and survival of strains used for bioaugmentation in contaminated soils. In order to compare water stress programmes, we analyse differential gene expression among three phylogenetically different strains capable of aromatic compound degradation: Arthrobacter chlorophenolicus A6, Sphingomonas wittichii RW1 and Pseudomonas veronii 1YdBTEX2. Standardized laboratory-induced water stress was imposed by shock exposure of liquid cultures to water potential decrease, induced either by addition of solutes (NaCl, solute stress) or by addition of polyethylene glycol (matric stress), both at absolute similar stress magnitudes and at those causing approximately similar decrease of growth rates. Genome-wide differential gene expression was recorded by micro-array hybridizations. Growth of P. veronii 1YdBTEX2 was the most sensitive to water potential decrease, followed by S. wittichii RW1 and A. chlorophenolicus A6. The number of genes differentially expressed under decreasing water potential was lowest for A. chlorophenolicus A6, increasing with increasing magnitude of the stress, followed by S. wittichii RW1 and P. veronii 1YdBTEX2. Gene inspection and gene ontology analysis under stress conditions causing similar growth rate reduction indicated that common reactions among the three strains included diminished expression of flagellar motility and increased expression of compatible solutes (which were strain-specific). Furthermore, a set of common genes with ill-defined function was found between all strains, including ABC transporters and aldehyde dehydrogenases, which may constitute a core conserved response to water stress. The data further suggest that stronger reduction of growth rate of P. veronii 1YdBTEX2 under water stress may be an indirect result of the response demanding heavy NADPH investment, rather than the presence or absence of a suitable stress defence mechanism per se.

Dibenzofuran degradation by Sphingomonas wittichii RW1 under environmental stresses

Sphingomonas wittichii is a gram-negative Alpha-proteobacterium, capable of degrading xenobiotic compounds such as dibenzofuran (DBF), dibenzo-p-dioxin, carbazole, 2-hydroxybiphenyl or nitro diphenyl ether herbicides. The metabolism of strain RW1 has been the subject of previous studies and a number of genes involved in DBF degradation have been characterized. It is known that RW1 posseses a unique initial DBF dioxygenase (encoded by the dxnAl gene) that catalyzes the first step in the degradation pathway. None of the organisms known to be able to degrade DBF have a similar dioxygenase, the closest match being the DBF dioxygenase from Rhodococcus sp. with an overall amino acid similarity of 45%. Genes participating in the conversion of the metabolite salicylate via the ortho-cleavage pathway to TCA cycle intermediates were identified as well. Apart from this scarce information, however, there is a lack of global knowledge on the genes that are involved in DBF degradation by strain RW1 and the influence of environmental stresses on DBF-dependent global gene expression. A global analysis is necessary, because it may help to better understand the behaviour of the strain under field conditions and suggest improvements for the current bioaugmentation practice. Chapter 2 describes the results of whole-genome analysis to characterize the genes involved in DBF degradation by RW1. Micro-array analysis allowed us to detect differences in gene transcription when strain RW1 was exposed to DBF. This was complemented by ultra-high throughput sequencing of mutants no longer capable of growing on salicylate and DBF. Some of the genes of the ortho-cleavage pathway were induced 2 to 4 times in the presence of DBF, as well as the initial DBF dioxygenase. However two gene clusters, named 4925 and 5102 were induced up to 19 times in response to DBF induction. The cluster 4925 is putatively participating in a meta-cleavage pathway while the cluster 5102 might be part of a gentisate pathway. The three pathways, ortho-cleavage, meta-cleavage and gentisate pathway seem to be active in parallel when strain RW1 is exposed to DBF, presenting evidence for a redundancy of genes for DBF degradation in the genome of RW1. Chapter 3 focuses on exploiting genetic tools to construct bioreporters representative for DBF degradation in RW1. A set of basic tools for genetic manipulation in Sphingomonas wittichii RW1 was tested and optimized. Both plasmids and mini-transposons were evaluated for their ability to be maintained in RW1 with or without antibiotic selection pressure, and for their ability to lead to fluorescent protein expression in strain RW1 from a constitutive promoter. Putative promoter regions of three of the previously found DBF-induced genes (Swit_4925, Swit_5102 and Swit_4897-dxnAl) were then used to construct eg/^-bioreporters in RW1. Chapter 4 describes the use of the constructed RW1-based bioreporter strains for examining the expression of the DBF degradation pathway genes under microcosm conditions. The bioreporter strains were first exposed to different carbon sources in liquid culture to calibrate the egfp induction. Contrary to our expectations from micro-array analysis only the construct with the promoter from gene cluster 4925 responded to DBF, whereas the other two constructs did not show specific induction with DBF. The response from the bioreporters was subsequently tested for sensitivity to water stress, given that this could have an important impact in soils. Exposure to liquid cultures with decreasing water potential, achieved by NaCl or PEG addition to the growth media, showed that eGFP expression in RW1 from the promoter regions 4925 and 5102 was not directly influenced by water stress, but only through an overall reduction in growth rate. In contrast, expression of eGFP from the dxnAl or an uspA promoter was also directly dependent on the extent of water stress. The RW1 with the 4925 construct was subsequently used in soil microcosms to evaluate DBF bioavailability to the cells in presence or absence of native microbiota or other contaminated material. We found that RW1 could grow on DBF added to soil, but bioreporter expression suggested that competition with native microbiota for DBF intermediates may limit its ability to proliferate to a maximum. Chapter 5 describes the results from the experiments carried out to more specifically detect genes of RW1 that might be implicated in water stress resistance. Hereto we created transposon mutagenesis libraries in RW1, either with a classical mini-Tn5 or with a variant that would express egfp when the transposon would insert in a gene induced under water stress. Classical mutant libraries were screened by replica plating under high and low water stress conditions (achieved by adding NaCl to the agar medium). In addition, we screened for smaller microcolonies formed by mutants in agarose beads that could be analized with flow cytometry. A number of mutants impaired to grow on NaCl-supplemented media were recovered and the transposon insertion sites sequenced. In a second procedure we screened by flow cytometry for mutants with a higher eGFP production after exposure to growth medium with higher NaCl concentrations. Mutants from both libraries rarely overlapped. Discovered gene functions of the transposon insertions pointed to compatible solute synthesis (glutamate and proline), cell membrane synthesis and modification of cell membrane composition. The results obtained in the present study give us a more complete picture of the mechanisms of DBF degradation by S. wittichii RW1, how it reacts to different DBF availability and how the DBF catabolic activity may be affected by the conditions found in contaminated environments. - Sphingomonas wittichii est une alpha-protéobactérie gram-négative, capable de dégrader des composés xénobiotiques tels que le dibenzofurane (DBF), la dibenzo-p-dioxine, le carbazole, le 2-hydroxybiphényle ou les herbicides dérivés du nitro-diphényléther. Le métabolisme de la souche RW1 a fait l'objet d'études antérieures et un certain nombre de gènes impliqués dans la dégradation du DBF ont été caractérisés. Il est connu que RW1 possède une unique dioxygénase DBF initiale (codée par le gène dxnAl) qui catalyse la première étape de la voie de dégradation. Aucun des organismes connus pour être capables de dégrader le DBF n'a de dioxygénase similaire. L'enzyme la plus proche étant la DBF dioxygénase de Rhodococcus sp. avec 45% d'acides aminés conservés. Les gènes qui participent à la transformation du salicylate en métabolites intermédiaires du cycle de Krebs par la voie ort/io-cleavage ont aussi été identifiés. Outre ces informations lacunaires, il y a un manque de connaissances sur l'ensemble des gènes impliqués dans la dégradation du DBF par la souche RW1 ainsi que l'effet des stress environnementaux sur l'expression génétique globale, en présence du DBF. Une analyse globale est nécessaire, car elle peut aider à mieux comprendre le comportement de la souche dans les conditions de terrain et de proposer des améliorations pour l'utilisation de la bio-augmentation comme technique de bio-remédiation. Le chapitre 2 décrit les résultats de l'analyse du génome pour caractériser les gènes impliqués dans la dégradation du DBF par RW1. Une analyse de micro-arrays nous a permis de détecter des différences dans la transcription des gènes lorsque la souche RW1 a été exposée au DBF. L'analyse a été complétée par le criblage à ultra-haut débit de mutants qui n'étaient plus capables de croître avec le salicylate ou le DBF comme seule source de carbone. Certains des gènes de la voie ortho-cleavage, dont la DBF dioxygénase initiale, ont xî été induits 2 à 4 fois, en présence du DBF. Cependant, deux groupes de gènes, nommés 4925 et 5102 ont été induits jusqu'à 19 fois en réponse au DBF. Le cluster 4925 participe probablement dans une voie de meta-cleavage tandis que le cluster 5102 pourrait faire partie d'une voie du gentisate. Les trois voies, ortho-cleavage, meta-cleavage et la voie du gentisate semblent être activées en parallèle lorsque la souche RW1 est exposée au DBF, ce qui représente une redondance de voies pour la dégradation du DBF dans le génome de RW1. Le chapitre 3 se concentre sur l'exploitation des outils génétiques pour la construction de biorapporteurs de la dégradation du DBF par RW1. Un ensemble d'outils de base pour la manipulation génétique dans Sphingomonas wittichii RW1 a été testé et optimisé. Deux plasmides et mini-transposons ont été évalués pour leur capacité à être maintenu dans RW1 avec ou sans pression de sélection par des antibiotiques, et pour leur capacité à exprimer la protéine fluorescente verte (eGFP) dans la souche RW1. Les trois promoteurs des gènes Swit_4925, Swit_5102 et Swit_4897 (dxnAl), induits en réponse au DBF, ont ensuite été utilisés pour construire des biorapporteurs dans RW1. Le chapitre 4 décrit l'utilisation des souches biorapportrices construites pour l'analyse de l'expression des gènes de la voie de dégradation du DBF dans des microcosmes avec différents types de sols. Les souches biorapportrices ont d'abord été exposées à différentes sources de carbone en cultures liquides afin de calibrer l'induction de la eGFP. La construction avec le promoteur du gène 4925 a permis une réponse au DBF. Mais contrairement à nos attentes, basées sur les résultats de l'analyse des micro-arrays, les deux autres constructions n'ont pas montré d'induction spécifique au DBF. La réponse des biorapporteurs a ensuite été testée pour la sensibilité au stress hydrique, étant donné que cela pourrait avoir un impact important dans les microcosmes. La diminution du potentiel hydrique en culture liquide est obtenue par addition de NaCl ou de PEG au milieu de croissance. Nous avons montré que l'expression de la eGFP contrôlée par les promoteurs 4925 et 5102 n'était pas directement influencée par le stress hydrique, mais seulement par une réduction globale des taux de croissance. En revanche, l'expression de la eGFP dépendante des promoteurs dxnAl et uspA était aussi directement dépendante de l'ampleur du stress hydrique. La souche avec la construction 4925 a été utilisée par la suite dans des microcosmes avec différents types de sols pour évaluer la biodisponibilité du DBF en présence ou absence des microbes indigènes et d'autres composés contaminants. Nous avons constaté que RW1 pouvait se développer si le DBF a été ajouté au sol, mais l'expression de la eGFP par le biorapporteur suggère que la compétition avec la microbiota indigène pour les métabolites intermédiaires du DBF peut limiter sa capacité à proliférer de manière optimale. Le chapitre 5 décrit les résultats des expériences réalisées afin de détecter spécifiquement les gènes de RW1 qui pourraient être impliquées dans la résistance au stress hydrique. Ici on a crée des bibliothèques de mutants de RW1 par transposon, soit avec un mini-Tn5 classique ou avec une variante qui exprime la eGFP lorsque le transposon s'insère dans un gène induit par le stress hydrique. Les bibliothèques de mutants ont été criblées par la méthode classique de repiquage sur boîtes, dans des conditions de stress hydrique élevé (obtenu par l'addition de NaCl dans les boîtes). En outre, nous avons criblé des micro¬colonies dans des billes d'agarose qui ont pu être analysées par cytométrie de flux. Un certain nombre de mutants déficients à croître sur des milieux supplémentés avec du NaCl ont été isolés et les sites d'insertion du transposon séquencés. Dans une deuxième procédure nous avons criblé par cytométrie de flux des mutants avec une production de eGFP supérieure, après exposition à un milieu de croissance avec une concentration élevée de NaCl. Les mutants obtenus dans les deux bibliothèques n'étaient pas similaires. Les fonctions des gènes où se trouvent les insertions de transposons sont impliqués dans la synthèse de solutés compatibles (glutamate et de la proline), dans la synthèse de la membrane cellulaire et dans la modification de la composition de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus dans la présente étude nous donnent une image plus complète des mécanismes de dégradation du DBF par S. wittichii RW1, comment cette souche réagit à la disponibilité du DBF et comment l'activité catabolique peut être affectée par les conditions rencontrées dans des environnements contaminés.

Identification of genes potentially involved in solute stress response in Sphingomonas wittichii RW1 by transposon mutant recovery.

The term water stress refers to the effects of low water availability on microbial growth and physiology. Water availability has been proposed as a major constraint for the use of microorganisms in contaminated sites with the purpose of bioremediation. Sphingomonas wittichii RW1 is a bacterium capable of degrading the xenobiotic compounds dibenzofuran and dibenzo-p-dioxin, and has potential to be used for targeted bioremediation. The aim of the current work was to identify genes implicated in water stress in RW1 by means of transposon mutagenesis and mutant growth experiments. Conditions of low water potential were mimicked by adding NaCl to the growth media. Three different mutant selection or separation method were tested which, however recovered different mutants. Recovered transposon mutants with poorer growth under salt-induced water stress carried insertions in genes involved in proline and glutamate biosynthesis, and further in a gene putatively involved in aromatic compound catabolism. Transposon mutants growing poorer on medium with lowered water potential also included ones that had insertions in genes involved in more general functions such as transcriptional regulation, elongation factor, cell division protein, RNA polymerase β or an aconitase.

Vasopressin-dependent coupling between sodium transport and water flow in a mouse cortical collecting duct cell line.

Water balance is achieved through the ability of the kidney to control water reabsorption in the connecting tubule and the collecting duct. In a mouse cortical collecting duct cell line (mCCD(c11)), physiological concentrations of arginine vasopressin increased both electrogenic, amiloride-sensitive, epithelial sodium channel (ENaC)-mediated sodium transport measured by the short-circuit current (Isc) method and water flow (Jv apical to basal) measured by gravimetry with similar activation coefficient K(1/2) (6 and 12 pM, respectively). Jv increased linearly according to the osmotic gradient across the monolayer. A small but highly significant Jv was also measured under isoosmotic conditions. To test the coupling between sodium reabsorption and water flow, mCCD(c11) cells were treated for 24 h under isoosmotic condition with either diluent, amiloride, vasopressin or vasopressin and amiloride. Isc, Jv, and net chemical sodium fluxes were measured across the same monolayers. Around 30% of baseline and 50% of vasopressin-induced water flow is coupled to an amiloride-sensitive, ENaC-mediated, electrogenic sodium transport, whereas the remaining flow is coupled to an amiloride-insensitive, nonelectrogenic sodium transport mediated by an unknown electroneutral transporter. The mCCD(c11) cell line is a first example of a mammalian tight epithelium allowing quantitative study of the coupling between sodium and water transport. Our data are consistent with the 'near isoosmotic' fluid transport model.

Transcriptome and membrane fatty acid analyses reveal different strategies for responding to permeating and non-permeating solutes in the bacterium Sphingomonas wittichii.

ABSTRACT: BACKGROUND: Sphingomonas wittichii strain RW1 can completely oxidize dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans, which are persistent contaminants of soils and sediments. For successful application in soil bioremediation systems, strain RW1 must cope with fluctuations in water availability, or water potential. Thus far, however, little is known about the adaptive strategies used by Sphingomonas bacteria to respond to changes in water potential. To improve our understanding, strain RW1 was perturbed with either the cell-permeating solute sodium chloride or the non-permeating solute polyethylene glycol with a molecular weight of 8000 (PEG8000). These solutes are assumed to simulate the solute and matric components of the total water potential, respectively. The responses to these perturbations were then assessed and compared using a combination of growth assays, transcriptome profiling, and membrane fatty acid analyses. RESULTS: Under conditions producing a similar decrease in water potential but without effect on growth rate, there was only a limited shared response to perturbation with sodium chloride or PEG8000. This shared response included the increased expression of genes involved with trehalose and exopolysaccharide biosynthesis and the reduced expression of genes involved with flagella biosynthesis. Mostly, the responses to perturbation with sodium chloride or PEG8000 were very different. Only sodium chloride triggered the increased expression of two ECF-type RNA polymerase sigma factors and the differential expression of many genes involved with outer membrane and amino acid metabolism. In contrast, only PEG8000 triggered the increased expression of a heat shock-type RNA polymerase sigma factor along with many genes involved with protein turnover and repair. Membrane fatty acid analyses further corroborated these differences. The degree of saturation of membrane fatty acids increased after perturbation with sodium chloride but had the opposite effect and decreased after perturbation with PEG8000. CONCLUSIONS: A combination of growth assays, transcriptome profiling, and membrane fatty acid analyses revealed that permeating and non-permeating solutes trigger different adaptive responses in strain RW1, suggesting these solutes affect cells in fundamentally different ways. Future work is now needed that connects these responses with the responses observed in more realistic scenarios of soil desiccation.

Characterization of a MexAB-OprM efflux system necessary for productive metabolism of Pseudomonas azelaica HBP1 on 2-hydroxybiphenyl.

Pseudomonas azelaica HBP1 is one of the few bacteria known to completely mineralize the biocide and toxic compound 2-hydroxybiphenyl (2-HBP), but the mechanisms of its tolerance to the toxicity are unknown. By transposon mutant analysis and screening for absence of growth on water saturating concentrations of 2-HBP (2.7 mM) we preferentially found insertions in three genes with high homology to the mexA, mexB, and oprM efflux system. Mutants could grow at 2-HBP concentrations below 100 μM but at lower growth rates than the wild-type. Exposure of the wild-type to increasing 2-HBP concentrations resulted in acute cell growth arrest and loss of membrane potential, to which the cells adapt after a few hours. By using ethidium bromide (EB) as proxy we could show that the mutants are unable to expel EB effectively. Inclusion of a 2-HBP reporter plasmid revealed that the wild-type combines efflux with metabolism at all 2-HBP concentrations, whereas the mutants cannot remove the compound and arrest metabolism at concentrations above 24 μM. The analysis thus showed the importance of the MexAB-OprM system for productive metabolism of 2-HBP.