The second intracellular loop of the calcitonin gene-related peptide receptor provides molecular determinants for signal transduction and cell surface expression

The calcitonin gene-related peptide (CGRP) receptor is a heterodimer of a family B G-protein-coupled receptor, calcitonin receptor-like receptor (CLR), and the accessory protein receptor activity modifying protein 1. It couples to Gs, but it is not known which intracellular loops mediate this. We have identified the boundaries of this loop based on the relative position and length of the juxtamembrane transmembrane regions 3 and 4. The loop has been analyzed by systematic mutagenesis of all residues to alanine, measuring cAMP accumulation, CGRP affinity, and receptor expression. Unlike rhodopsin, ICL2 of the CGRP receptor plays a part in the conformational switch after agonist interaction. His-216 and Lys-227 were essential for a functional CGRP-induced cAMP response. The effect of (H216A)CLR is due to a disruption to the cell surface transport or surface stability of the mutant receptor. In contrast, (K227A)CLR had wild-type expression and agonist affinity, suggesting a direct disruption to the downstream signal transduction mechanism of the CGRP receptor. Modeling suggests that the loop undergoes a significant shift in position during receptor activation, exposing a potential G-protein binding pocket. Lys-227 changes position to point into the pocket, potentially allowing it to interact with bound G-proteins. His-216 occupies a position similar to that of Tyr-136 in bovine rhodopsin, part of the DRY motif of the latter receptor. This is the first comprehensive analysis of an entire intracellular loop within the calcitonin family of G-protein-coupled receptor. These data help to define the structural and functional characteristics of the CGRP-receptor and of family B G-protein-coupled receptors in general. © 2006 by The American Society for Biochemistry and Molecular Biology, Inc.

Ceramides reduce CD36 cell surface expression and oxidised LDL uptake by monocytes and macrophages

Oxidised LDL accumulates in macrophages following scavenger receptor (SR) uptake. The expression of the SR, CD36, is increased by oxidised LDL. The signalling molecule, ceramide, can modulate intracellular peroxides and increase lipid peroxidation. Ceramide also accumulates in atherosclerotic plaques. Thus, we have examined whether ceramide can modulate CD36 expression and function in human monocyte/macrophages. Addition of synthetic short chain ceramides or the action of sphingomyelinase to generate physiological long chain ceramides in situ caused significant reductions in CD36 expression by monocytes/macrophages which was not due to inhibition of mRNA expression. Inhibition of proteasomal degradation using lactacystin had no effect on CD36 expression, however, flow cytometric analysis of permeabilised cells suggested an intracellular trafficking blockade. Ceramide treated monocytes/macrophages showed dose dependent reduction in oxidised LDL uptake. Taken together, it is suggested that ceramide blocks the transport of CD36 to the membrane of monocytes/macrophages, thereby preventing uptake of oxidised LDL. © 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Characterization of heparin-binding site of tissue transglutaminase:its importance in cell surface targeting, matrix deposition, and cell signaling

Tissue transglutaminase (TG2) is a multifunctional Ca2+ activated protein crosslinking enzyme secreted into the extracellular matrix (ECM), where it is involved in wound healing and scarring, tissue fibrosis, celiac disease and metastatic cancer. Extracellular TG2 can also facilitate cell adhesion important in wound healing through a non-transamidating mechanism via its association with fibronectin (FN), heparan sulphates (HS) and integrins. Regulating the mechanism how TG2 is translocated into the ECM therefore provides a strategy for modulating these physiological and pathological functions of the enzyme. Here, through molecular modelling and mutagenesis we have identified the HS binding site of TG2 202KFLKNAGRDCSRRSSPVYVGR222. We demonstrate the requirement of this binding site for translocation of TG2 into the ECM through a mechanism involving cell surface shedding of HS. By synthesizing a peptide NPKFLKNAGRDCSRRSS corresponding to the HS binding site within TG2, we also demonstrate how this mimicking peptide can in isolation compensate the RGD-induced loss of cell adhesion on FN via binding to syndecan-4, leading to activation of PKCa, pFAK-397 and ERK1/2 and the subsequent formation of focal adhesions and actin cytoskeleton organization. A novel regulatory mechanism for TG2 translocation into the extracellular compartment that depends upon TG2 conformation and the binding of HS is proposed.

Cell surface analysis of the basidiomycete yeast cryptococcus neoformans

Cell surface properties of the basidiomycete yeast Cryptococcus neoformans were investigated with a combination of novel and well proven approaches. Non-specific cell adhesion forces, as well as exposed carbohydrate and protein moieties potentially associated with specific cellular interaction, were analysed. Experimentation and analysis employed cryptococcal cells of different strains, capsular status and culture age. Investigation of cellular charge by particulate microelectrophoresis revealed encapsulated yeast forms of C. neoformans manifest a distinctive negative charge regardless of the age of cells involved; in turn, the neutral charge of acapsulate yeasts confirmed that the polysaccharide capsule, and not the cell wall, was responsible for this occurrence. Hydrophobicity was measured by MATH and HICH techniques, as well as by the attachment of polystyrene microspheres. All three techniques, where applicable, found C. neoformans yeast to be consistently hydrophilic; this state varied little regardless of strain and culture age. Cell surface carbohydrates and protein were investigated with novel fluorescent tagging protocols, flow cytometry and confocal microscopy. Cell surface carbohydrate was identified by controlled oxidation in association with biotin hydrazide and fluorescein-streptavidin tagging. Marked amounts of carbohydrate were measured and observed on the cell wall surface of cryptococcal yeasts. Furthermore, tagging of carbohydrates with selective fluorescent lectins supported the identification, measurement and observation of substantial amounts of mannose, glucose and N-acetyl-glucosamine. Cryptococcal cell surface protein was identified using sulfo-NHS-biotin with fluorescein-streptavidin, and then readily quantified by flow cytometry. Confocal imaging of surface exposed carbohydrate and protein revealed common localised areas of vivid fluorescence associated with buds, bud scars and nascent daughter cells. Carbohydrate and protein fluorescence often varied between strains, culture age and capsule status of cells examined. Finally, extension of protein tagging techniques resulted in the isolation and extraction of two biotinylated proteins from the yeast cell wall surface of an acapsulate strain of C.neoformans.

A novel multilocus sequence typing scheme for the opportunistic pathogen Propionibacterium acnes and characterisation of type 1 cell surface-associated antigens

We have developed a novel multilocus sequence typing (MLST) scheme and database (http://pubmlst.org/pacnes/) for Propionibacterium acnes based on the analysis of seven core housekeeping genes. The scheme, which was validated against previously described antibody, single locus and random amplification of polymorphic DNA typing methods, displayed excellent resolution and differentiated 123 isolates into 37 sequence types (STs). An overall clonal population structure was detected with six eBURST groups representing the major clades I, II and III, along with two singletons. Two highly successful and global clonal lineages, ST6 (type IA) and ST10 (type IB1), representing 64?% of this current MLST isolate collection were identified. The ST6 clone and closely related single locus variants, which comprise a large clonal complex CC6, dominated isolates from patients with acne, and were also significantly associated with ophthalmic infections. Our data therefore support an association between acne and P. acnes strains from the type IA cluster and highlight the role of a widely disseminated clonal genotype in this condition. Characterization of type I cell surface-associated antigens that are not detected in ST10 or strains of type II and III identified two dermatan-sulphate-binding proteins with putative phase/antigenic variation signatures. We propose that the expression of these proteins by type IA organisms contributes to their role in the pathophysiology of acne and helps explain the recurrent nature of the disease. The MLST scheme and database described in this study should provide a valuable platform for future epidemiological and evolutionary studies of P. acnes.

Intracellular redox state modulates the T cell surface proteome – relevance to ageing

During ageing an altered redox balance has been observed in both intracellular and extracellular compartments, primarily due to glutathione depletion and metabolic stress. Maintaining redox homeostasis is important for controlling proliferation and apoptosis in response to specific stimuli for a variety of cells. For T cells, the ability to generate specific response to antigen is dependent on the oxidation state of cell surface and cytoplasmic protein-thiols. Here we describe the effects of depleting intracellular glutathione concentration for T cell exofacial expression of thioredoxin 1 and IL-2 production, and have determined the distribution of Trx1 with ageing. Using buthionine sulfoximine to deplete intracellular glutathione in Jurkat T cells we show using Western blotting that cell surface thioredoxin-1 is lowered and that the response to the lectin phytohaemagglutinin measured by ELISA as IL-2 production is also decreased. Using flow cytometry we show that the distribution of Trx1 on primary CD4+ T cells is age-dependent, with lower surface Trx1 expression and greater variability of surface expression observed with age. Together these data suggest that a relationship exists between the intracellular redox compartment and exofacial surface. Redox imbalance may be important for impaired T cell function during ageing.

The Influence of Age, Cardiorespiratory Fitness, Exercise and Sedentary Behaviours on Circulating Angiogenic Cells and Cell Surface Receptor Expression.

Cardiovascular disease (CVD) is the biggest killer of people in western civilisation. Age is a significant risk factor for the development for CVD, and treatments and therapies to address this increased risk are crucial to quality of life and longevity. Exercise is one such intervention which has been shown to reduce CVD risk. Age is also associated with endothelial dysfunction, reduced angiogenic capabilities, and reduced ability to repair the vessel wall. Circulating angiogenic cells (CACs) are a subset of circulating cells which assist in the repair and growth of the vasculature and in the maintenance of endothelial function. Reductions in these cells are observed in those with vascular disease compared to age-matched healthy controls. Exercise may reduce CVD risk by improvements in number and/or function of these CACs. Data was collected from human volunteers of various ages, cardiorespiratory fitness (CRF) levels and latent viral infection history status to investigate the effects of chronological age, CRF, viral serology and other lifestyle factors, such as sedentary behaviours and exercise on CACs. The levels of CACs in these volunteers were measured using four colour flow cytometry using various monoclonal antibodies specific to cell surface markers that are used to identify specific subsets of these CACs. In addition, the response to acute exercise of a specific subset of these CACs, termed ‘angiogenic T-cells’ (TANG) were investigated, in a group of well-trained males aged 20-40 years, using a strenuous submaximal exercise bout. Advancing age was associated with a decline in various subsets of CACs, including bone marrow-derived CD34+ progenitors, putative endothelial progenitor cells (EPCs) and also TANG cells. Individuals with a higher CRF were more likely to have higher circulating numbers of TANG cells, particularly in the CD4+ subset. CRF did not appear to modulate CD34+ progenitors or EPC subsets. Increasing sitting time was associated with reduction in TANG cells, but after correcting for the effects of fitness, sitting time no longer negatively affected the circulating number of these cells. Acute exercise was a powerful stimulus for increasing the number of TANG cells (140% increase), potentially through an SDF-1:CXCR4-dependent mechanism, but more studies are required to investigate this. Latent CMV infection was associated with higher number of TANG cells (CD8+), but only in 18-40 year old individuals, and not in an older age group (41-65 year old). The significance of this has yet to be understood. In conclusion, advancing age may contribute to increased CVD risk partly due to the observed reductions in angiogenic cells circulating in the peripheral compartment. Maintaining a high CRF may attenuate this CVD reduction by modulating TANG cell number, but potentially not CD34+ progenitor or EPC subsets. Acute exercise may offer a short window for vascular adaptation through the mobilisation of TANG cells into the circulation.

Cell surface Glut1 levels distinguish human CD4 and CD8 T lymphocyte subsets with distinct effector functions

International audience

Involvement of cell surface TG2 in the aggregation of K562 cells triggered by gluten

Gluten-induced aggregation of K562 cells represents an in vitro model reproducing the early steps occurring in the small bowel of celiac patients exposed to gliadin. Despite the clear involvement of TG2 in the activation of the antigen-presenting cells, it is not yet clear in which compartment it occurs. Herein we study the calcium-dependent aggregation of these cells, using either cell-permeable or cell-impermeable TG2 inhibitors. Gluten induces efficient aggregation when calcium is absent in the extracellular environment, while TG2 inhibitors do not restore the full aggregating potential of gluten in the presence of calcium. These findings suggest that TG2 activity is not essential in the cellular aggregation mechanism. We demonstrate that gluten contacts the cells and provokes their aggregation through a mechanism involving the A-gliadin peptide 31-43. This peptide also activates the cell surface associated extracellular TG2 in the absence of calcium. Using a bioinformatics approach, we identify the possible docking sites of this peptide on the open and closed TG2 structures. Peptide docks with the closed TG2 structure near to the GTP/GDP site, by establishing molecular interactions with the same amino acids involved in stabilization of GTP binding. We suggest that it may occur through the displacement of GTP, switching the TG2 structure from the closed to the active open conformation. Furthermore, docking analysis shows peptide binding with the β-sandwich domain of the closed TG2 structure, suggesting that this region could be responsible for the different aggregating effects of gluten shown in the presence or absence of calcium. We deduce from these data a possible mechanism of action by which gluten makes contact with the cell surface, which could have possible implications in the celiac disease onset.

Modulation de l’adressage membranaire et de la fonction du canal CaV2.3 par les résidus leucine du domaine guanylate kinase impliqués dans la liaison à forte affinité de CaVβ

Les canaux Ca2+ activés par le voltage (CaV) sont des protéines membranaires qui génèrent des courants Ca2+ dans les cellules excitables suite à une dépolarisation membranaire. Ces complexes oligomériques sont classifiés selon les propriétés structurelles de la sous-unité principale qui forme le pore du canal, soit la sous-unité CaVα1. La sous-unité auxiliaire CaVβ module l’expression membranaire et la dépendance au voltage du « gating » de la sous-unité CaVα1 des canaux HVA (« high-voltage-activated ») CaV1 et CaV2. La sous-unité CaVβ est formée par un domaine SH3 (« Src homology-3 ») connecté à un domaine GK (« guanylate kinase-like ») par le biais d’un domaine variable HOOK. Dans le but d’identifier les résidus dans la CaVβ3 qui sont responsables de la densité membranaire du CaV2.3, nous avons produit des mutants de la sous-unité auxiliaire le long de ses domaines fonctionnels. Cela dit, la délétion complète du domaine SH3 ainsi que la délétion du domaine HOOK n’ont pas modifié la densité membranaire de CaV2.3 ni ses propriétés d’activation. Cependant, la délétion de cinq résidus dans le domaine GK interrompt l’expression membranaire et l’expression fonctionnelle de CaV2.3. La mutation de résidus identifiés précédemment comme soutenant une affinité de liaison de l’ordre du nanomolaire dans le domaine GK de CaVβ n’a pas modifié de manière significative l’adressage membranaire de CaV2.3. Toutefois, les mutations de quatre résidus leucine dans les régions α3, α6, β10 et α9 du domaine GK ont grandement réduit l’adressage membranaire du canal CaV2.3. Nos résultats confirment que le domaine GK contient les déterminants moléculaires responsables de la fonction chaperone de CaVβ. Cela dit, l’adressage membranaire induit par CaVβ semble être déterminé par des éléments structuraux qui ne sont pas strictement dépendants d’une liaison à haute affinité de CaVβ sur CaVα1.

Mécanismes de régulation du trafic et de l’activité du récepteur GABAB

L’acide γ-aminobutyrique (GABA) est le principal neurotransmetteur inhibiteur du système nerveux central et est impliqué dans diverses pathologies incluant l’épilepsie, l’anxiété, la dépression et la dépendance aux drogues. Le GABA agit sur l’activité neuronale par l’activation de deux types de récepteurs; le canal chlorique pentamérique GABAA et l’hétérodimère obligatoire de récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) GABAB. Chacun des récepteurs est responsable de phases distinctes de la réponse cellulaire au GABA. Lors d’une stimulation par le GABA, il est essentiel pour la cellule de pouvoir contrôler le niveau d’activité des récepteurs et au besoin, de limiter leur activation par des mécanismes de désensibilisation et de régulation négative. La désensibilisation nécessite le découplage du récepteur de ses effecteurs, ainsi que sa compartimentation hors de la membrane plasmique dans le but de diminuer la réponse cellulaire à l’agoniste. Les mécanismes de contrôle de l’activité de GABAB semblent anormaux pour un RCPG et sont encore mal moléculairement caractérisés. L’objet de cette thèse est d’étudier la régulation du récepteur GABAB et de sa signalisation par la caractérisation de nouvelles protéines d’interactions étant impliquées dans la désensibilisation, l’internalisation et la dégradation du récepteur. Une première étude nous a permis d’identifier la protéine NSF (N-ethylmaleimide sensitive factor) comme interagissant avec le récepteur hétérodimérique. Nous avons caractérisé le site d’interaction au niveau du domaine coiled-coil de chacune des deux sous-unités de GABAB et constaté la dépendance de cette interaction au statut de l’activité ATPasique de NSF. Nous avons observé que cette interaction pouvait être dissociée par l’activation de GABAB, induisant la phosphorylation du récepteur par la protéine kinase C (PKC) parallèlement à la désensibilisation du récepteur. L’activation de PKC par le récepteur est dépendante de l’interaction NSF-GABAB, ce qui suggère une boucle de rétroaction entre NSF et PKC. Nous proposons donc un modèle où, à l’état basal, le récepteur interagit avec NSF, lui permettant d’activer PKC en réponse à la stimulation par un agoniste, et où cette activation permet à PKC de phosphoryler le récepteur, induisant sa dissociation de NSF et sa désensibilisation. Nous avons par la suite étudié la dégradation et l’ubiquitination constitutive de GABAB et la régulation de celles-ci par PKC et l’enzyme de déubiquitination USP14 (ubiquitin-specific protease 14). Au niveau basal, le récepteur est ubiquitiné, et présente une internalisation et une dégradation rapide. L’activation de PKC augmente l’ubiquitination à la surface cellulaire et l’internalisation, et accélère la dégradation du récepteur. USP14 est en mesure de déubiquitiner le récepteur suite à l’internalisation, mais accélère aussi la dégradation par un mécanisme indépendant de son activité enzymatique. Nos résultats suggèrent un mécanisme où l’ubiquitination promeut l’internalisation et où USP14 cible le récepteur ubiquitiné vers un processus de dégradation lysosomale. La troisième étude porte sur la régulation de la densité de récepteurs à la membrane plasmique par la protéine Grb2 (growth factor receptor-bound protein 2). Nous avons déterminé que Grb2 interagit avec GABAB1 au niveau de la séquence PEST (riche en proline, glutamate, sérine et thréonine) du domaine carboxyl-terminal, et que cette interaction module l’expression à la surface du récepteur hétérodimérique en diminuant l’internalisation constitutive par un mécanisme encore inconnu. Cette inhibition de l’internalisation pourrait provenir d’une compétition pour le site de liaison de Grb2 à GABAB1, ce site étant dans une région interagissant avec plusieurs protéines impliquées dans le trafic du récepteur, tels le complexe COPI et la sous-unité γ2S du récepteur GABAA (1, 2). En proposant de nouveaux mécanismes moléculaires contrôlant l’activité et l’expression à la membrane du récepteur GABAB par les protéines NSF, PKC, USP14 et Grb2, les études présentées dans cette thèse permettent de mieux comprendre les processus d’internalisation et de dégradation, ainsi que du contrôle de l’activité de GABAB par la désensibilisation, ouvrant la porte à une meilleure compréhension de la signalisation GABAergique.

Modifications post-traductionnelles des canaux calciques cardiaques de type L : identification des résidus asparagine qui participent à la glycosylation de la sous-unité auxiliaire CaVα2δ1

Les canaux calciques de type L CaV1.2 sont principalement responsables de l’entrée des ions calcium pendant la phase plateau du potentiel d’action des cardiomyocytes ventriculaires. Cet influx calcique est requis pour initier la contraction du muscle cardiaque. Le canal CaV1.2 est un complexe oligomérique qui est composé de la sous-unité principale CaVα1 et des sous-unités auxiliaires CaVβ et CaVα2δ1. CaVβ joue un rôle déterminant dans l’adressage membranaire de la sous-unité CaVα1. CaVα2δ1 stabilise l’état ouvert du canal mais le mécanisme moléculaire responsable de cette modulation n’a pas été encore identifié. Nous avons récemment montré que cette modulation requiert une expression membranaire significative de CaVα2δ1 (Bourdin et al. 2015). CaVα2δ1 est une glycoprotéine qui possède 16 sites potentiels de glycosylation de type N. Nous avons donc évalué le rôle de la glycosylation de type-N dans l’adressage membranaire et la stabilité de CaVα2δ1. Nous avons d’abord confirmé que la protéine CaVα2δ1 recombinante, telle la protéine endogène, est significativement glycosylée puisque le traitement à la PNGase F se traduit par une diminution de 50 kDa de sa masse moléculaire, ce qui est compatible avec la présence de 16 sites Asn. Il s’est avéré par ailleurs que la mutation simultanée de 6/16 sites (6xNQ) est suffisante pour 1) réduire significativement la densité de surface de! CaVα2δ1 telle que mesurée par cytométrie en flux et par imagerie confocale 2) accélérer les cinétiques de dégradation telle qu’estimée après arrêt de la synthèse protéique et 3) diminuer la modulation fonctionnelle des courants générés par CaV1.2 telle qu’évaluée par la méthode du « patch-clamp ». Les effets les plus importants ont toutefois été obtenus avec les mutants N663Q, et les doubles mutants N348Q/N468Q, N348Q/N812Q, N468Q/N812Q. Ensemble, ces résultats montrent que Asn663 et à un moindre degré Asn348, Asn468 et Asn812 contribuent à la biogenèse et la stabilité de CaVα2δ1 et confirment que la glycosylation de type N de CaVα2δ1 est nécessaire à la fonction du canal calcique cardiaque de type L.

Modifications post-traductionnelles des canaux calciques cardiaques de type L : identification des résidus asparagine qui participent à la glycosylation de la sous-unité auxiliaire CaVα2δ1

Les canaux calciques de type L CaV1.2 sont principalement responsables de l’entrée des ions calcium pendant la phase plateau du potentiel d’action des cardiomyocytes ventriculaires. Cet influx calcique est requis pour initier la contraction du muscle cardiaque. Le canal CaV1.2 est un complexe oligomérique qui est composé de la sous-unité principale CaVα1 et des sous-unités auxiliaires CaVβ et CaVα2δ1. CaVβ joue un rôle déterminant dans l’adressage membranaire de la sous-unité CaVα1. CaVα2δ1 stabilise l’état ouvert du canal mais le mécanisme moléculaire responsable de cette modulation n’a pas été encore identifié. Nous avons récemment montré que cette modulation requiert une expression membranaire significative de CaVα2δ1 (Bourdin et al. 2015). CaVα2δ1 est une glycoprotéine qui possède 16 sites potentiels de glycosylation de type N. Nous avons donc évalué le rôle de la glycosylation de type-N dans l’adressage membranaire et la stabilité de CaVα2δ1. Nous avons d’abord confirmé que la protéine CaVα2δ1 recombinante, telle la protéine endogène, est significativement glycosylée puisque le traitement à la PNGase F se traduit par une diminution de 50 kDa de sa masse moléculaire, ce qui est compatible avec la présence de 16 sites Asn. Il s’est avéré par ailleurs que la mutation simultanée de 6/16 sites (6xNQ) est suffisante pour 1) réduire significativement la densité de surface de! CaVα2δ1 telle que mesurée par cytométrie en flux et par imagerie confocale 2) accélérer les cinétiques de dégradation telle qu’estimée après arrêt de la synthèse protéique et 3) diminuer la modulation fonctionnelle des courants générés par CaV1.2 telle qu’évaluée par la méthode du « patch-clamp ». Les effets les plus importants ont toutefois été obtenus avec les mutants N663Q, et les doubles mutants N348Q/N468Q, N348Q/N812Q, N468Q/N812Q. Ensemble, ces résultats montrent que Asn663 et à un moindre degré Asn348, Asn468 et Asn812 contribuent à la biogenèse et la stabilité de CaVα2δ1 et confirment que la glycosylation de type N de CaVα2δ1 est nécessaire à la fonction du canal calcique cardiaque de type L.