Partition coefficient and molecular flexibility: the concept of lipophilicity space.

The rationale of this study was to investigate molecular flexibility and its influence on physicochemical properties with a view to uncovering additional information on the fuzzy concept of dynamic molecular structure. Indeed, it is now known that computed molecular interaction fields (MIFs) such as molecular electrostatic potentials (MEPs) and lipophilicity potentials (MLPs) are conformation-dependent, as are dipole moments. A database of 125 compounds was used whose conformational space was explored, while conformation-dependent parameters were computed for each non-redundant conformer found in the conformational space of the compounds. These parameters were the virtual log P (log P(MLP), calculated by a MLP approach), the apolar surface area (ASA), polar surface area (PSA), and solvent-accessible surface (SAS). For each compound, the range taken by each parameter (its property space) was divided by the number of rotors taken as an index of flexibility, yielding a parameter termed 'molecular sensitivity'. This parameter was poorly correlated with others (i.e., it contains novel information) and showed the compounds to fall into two broad classes. 'Sensitive' molecules are those whose computed property ranges are markedly sensitive to conformational effects, whereas 'insensitive' (in fact, less sensitive) molecules have property ranges which are comparatively less affected by conformational fluctuations. A pharmacokinetic application is presented.

Magnetic structure of Li2CuO2: From ab initio calculations to macroscopic simulations

The magnetic structure of the edge-sharing cuprate compound Li2CuO2 has been investigated with highly correlated ab initio electronic structure calculations. The first- and second-neighbor in-chain magnetic interactions are calculated to be 142 and -22 K, respectively. The ratio between the two parameters is smaller than suggested previously in the literature. The interchain interactions are antiferromagnetic in nature and of the order of a few K only. Monte Carlo simulations using the ab initio parameters to define the spin model Hamiltonian result in a Nel temperature in good agreement with experiment. Spin population analysis situates the magnetic moment on the copper and oxygen ions between the completely localized picture derived from experiment and the more delocalized picture based on local-density calculations.

Effective t-J model Hamiltonian parameters of monolayered cuprate superconductors from ab initio electronic structure calculations

The magnetic coupling constant of selected cuprate superconductor parent compounds has been determined by means of embedded cluster model and periodic calculations carried out at the same level of theory. The agreement between both approaches validates the cluster model. This model is subsequently employed in state-of-the-art configuration interaction calculations aimed to obtain accurate values of the magnetic coupling constant and hopping integral for a series of superconducting cuprates. Likewise, a systematic study of the performance of different ab initio explicitly correlated wave function methods and of several density functional approaches is presented. The accurate determination of the parameters of the t-J Hamiltonian has several consequences. First, it suggests that the appearance of high-Tc superconductivity in existing monolayered cuprates occurs with J/t in the 0.20¿0.35 regime. Second, J/t=0.20 is predicted to be the threshold for the existence of superconductivity and, third, a simple and accurate relationship between the critical temperatures at optimum doping and these parameters is found. However, this quantitative electronic structure versus Tc relationship is only found when both J and t are obtained at the most accurate level of theory.

First-principles study of the neutral molecular metal Ni(tmdt)2.

The electronic structure of the molecular solid Ni(tmdt)2, the only well characterized neutral molecular metal to date, has been studied by means of first-principles density functional calculations. It is shown that these calculations correctly describe the metallic vs semiconducting behavior of molecular conductors of this type. The origin of the band overlap leading to the metallic character and the associated Fermi surfaces has been studied.

Phenotypic and molecular characterization of the onset of neuropathy in rodent models of diabetes mellitus

Abstract : The principal focus of this work was to study the molecular changes leading to the development of diabetic peripheral neuropathy (DPN). DPN is the most common complication associated with both type I and II diabetes mellitus (DM). This pathology is the leading cause of non-traumatic amputations. Even though the pathological and morphological changes underlying DPN are relatively well described, the implicated molecular mechanisms remain poorly understood. The following two approaches were developed to study the development of DPN in a rodent model of DM type I. As a first approach, we studied the implication of lipid metabolism in DPN phenotype, concentrating on Sterol Response Element Binding Protein (SREBP)-lc which is the key regulator of storage lipid metabolism. We showed that SREBP-1c was expressed in peripheral nerves and that its expression profile followed the expression of genes involved in storage lipid metabolism. In addition, the expression of SREBP-1c in the endoneurium of peripheral nerves was dependant upon nutritional status and this expression was also perturbed in type I diabetes. In line with this, we showed that insulin elevated the expression of SREBP-1c in primary cultured Schwann cells by activating the SREBP-1c promoter. Taken together, these findings reveal that SREBP-1c expression in Schwann cells responds to metabolic stimuli including insulin and that this response is affected in type I diabetes mellitus. This suggests that disturbed SREBP-1c regulated lipid metabolism may contribute to the pathophysiology of DPN. As a second approach, we performed a comprehensive analysis of the molecular changes associated with DPN in the Akital~1~+ mouse which is a model of spontaneous early-onset type I diabetes mellitus. This mouse expresses a mutated non-functional isoform of insulin, leading to hypoinsulinemia and hyperglycaemia. To determine the onset of DPN, weight, blood glucose and motor nerve conduction velocity (MNCV) were measured in Akital+/+ mice during the first three months of life. A decrease in MNCV was evident akeady one week after the onset of hyperglycemia. To explore the molecular changes associated with the development of DPN in these mice, we performed gene expression profiling using sciatic nerve endoneurium and dorsal root ganglia (DRG) isolated from early diabetic male Akita+/+ mice and sex-matched littermate controls. No major transcriptional changes were detected either in the DRG or in the sciatic nerve endoneurium. This experiment indicates that the phenotypic changes observed during the development of DPN are not correlated with major transcriptional alterations, but mainly with alterations at the protein level. Résumé Lors ce travail, nous nous sommes intéressés aux changements moléculaires aboutissant aux neuropathies périphériques dues au diabète (NPD). Les NPD sont la complication la plus commune du diabète de type I et de type II. Cette pathologie est une cause majeure d'amputations. Même si les changements pathologiques et morphologiques associés aux NPD sont relativement bien décrits, les mécanismes moléculaires provoquant cette pathologie sont mal connus. Deux approches ont principalement été utilisées pour étudier le développement des NPD dans des modèles murins du diabète de type I. Nous avons d'abord étudié l'impact du métabolisme des lipides sur le développement des NPD en nous concentrant sur Sterol Response Element Binding Protein (SREBP)-1 c qui est un régulateur clé des lipides de stockage. Nous avons montré que SREBP-1 c est exprimé dans les nerfs périphériques et que son profil d'expression suit celui de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides de stockage. De plus, l'expression de SREBP-1c dans l'endoneurium des nerfs périphériques est dépendante du statut nutritionnel et est dérégulée lors de diabète de type I. Nous avons également pu montrer que l'insuline augmente l'expression de SREBP-1c dans des cultures primaires de cellules de Schwann en activant le promoteur de SREBP-1c. Ses résultats démontrent que l'expression de SREBP-1c dans les cellules de Schwann est contrôlée par des stimuli métaboliques comme l'insuline et que cette réponse est affectée dans le cas d'un diabète de type I. Ces données suggèrent que la dérégulation de l'expression de SREBP-1c lors du diabète pourrait affecter le métabolisme des lipides et ainsi contribuer à la pathophysiologie des NPD. Comme seconde approche, nous avons réalisé une analyse globale des changements moléculaires associés au développement des NPD chez les souris Akita+/+, un modèle de diabète de type I. Cette souris exprime une forme mutée et non fonctionnelle de l'insuline provoquant une hypoinsulinémie et une hyperglycémie. Afin de déterminer le début du développement de la NPD, le poids, le niveau de glucose sanguin et la vitesse de conduction nerveuse (VCN) ont été mesurés durant les 3 premiers mois de vie. Une diminution de la VCN a été détectée une semaine seulement après le développement de l'hyperglycémie. Pour explorer les changements moléculaires associés avec le développement des NPD, nous avons réalisé un profil d'expression de l'endoneurium du nerf sciatique et des ganglions spinaux isolés à partir de souris Akital+/+ et de souris contrôles Akita+/+. Aucune altération transcriptionnelle majeure n'a été détectée dans nos échantillons. Cette expérience suggère que les changements phénotypiques observés durant le développement des NPD ne sont pas corrélés avec des changements importants au niveau transcriptionnel, mais plutôt avec des altérations au niveau protéique. Résumé : Lors ce travail, nous nous sommes intéressés aux changements moléculaires aboutissant aux neuropathies périphériques dues au diabète (NPD). Les NPD sont la complication la plus commune du diabète de type I et de type II. Cette pathologie est une cause majeure d'amputations. Même si les changements pathologiques et morphologiques associés aux NPD sont relativement bien décrits, les mécanismes moléculaires provoquant cette pathologie sont mal connus. Deux approches ont principalement été utilisées pour étudier le développement des NPD dans des modèles murins du diabète de type I. Nous avons d'abord étudié l'impact du métabolisme des lipides sur le développement des NPD en nous concentrant sur Sterol Response Element Binding Protein (SREBP)-1c qui est un régulateur clé des lipides de stockage. Nous avons montré que SREBP-1 c est exprimé dans les nerfs périphériques et que son profil d'expression suit celui de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides de stockage. De plus, l'expression de SREBP-1c dans l'endoneurium des nerfs périphériques est dépendante du statut nutritionnel et est dérégulée lors de diabète de type I. Nous avons également pu montrer que l'insuline augmente l'expression de SREBP-1c dans des cultures primaires de cellules de Schwann en activant le promoteur de SREBP-1c. Ses résultats démontrent que l'expression de SREBP-1c dans les cellules de Schwann est contrôlée par des stimuli métaboliques comme l'insuline et que cette réponse est affectée dans le cas d'un diabète de type I. Ces données suggèrent que la dérégulation de l'expression de SREBP-1c lors du diabète pourrait affecter le métabolisme des lipides et ainsi contribuer à la pathophysiologie des NPD. Comme seconde approche, nous avons réalisé une analyse globale des changements moléculaires associés au développement des NPD chez les souris Akita~~Z~+, un modèle de diabète de type I. Cette souris exprime une forme mutée et non fonctionnelle de l'insuline provoquant une hypoinsulinémie et une hyperglycémie. Afin de déterminer le début du développement de la NPD, le poids, le niveau de glucose sanguin et la vitesse de conduction nerveuse (VCN) ont été mesurés durant les 3 premiers mois de vie. Une diminution de la VCN a été détectée une semaine seulement après le développement de l'hyperglycémie. Pour explorer les changements moléculaires associés avec le développement des NPD, nous avons réalisé un profil d'expression de l'endoneurium du nerf sciatique et des ganglions spinaux isolés à partir de souris Akital+/+ et de souris contrôles Akita+/+. Aucune altération transcriptionnelle majeure n'a été détectée dans nos échantillons. Cette expérience suggère que les changements phénotypiques observés durant le développement des NPD ne sont pas corrélés avec des changements importants au niveau transcriptionnel, mais plutôt avec des altérations au niveau protéique.

EADock : design of a new molecular docking algorithm and some of its applications

3 Summary 3. 1 English The pharmaceutical industry has been facing several challenges during the last years, and the optimization of their drug discovery pipeline is believed to be the only viable solution. High-throughput techniques do participate actively to this optimization, especially when complemented by computational approaches aiming at rationalizing the enormous amount of information that they can produce. In siiico techniques, such as virtual screening or rational drug design, are now routinely used to guide drug discovery. Both heavily rely on the prediction of the molecular interaction (docking) occurring between drug-like molecules and a therapeutically relevant target. Several softwares are available to this end, but despite the very promising picture drawn in most benchmarks, they still hold several hidden weaknesses. As pointed out in several recent reviews, the docking problem is far from being solved, and there is now a need for methods able to identify binding modes with a high accuracy, which is essential to reliably compute the binding free energy of the ligand. This quantity is directly linked to its affinity and can be related to its biological activity. Accurate docking algorithms are thus critical for both the discovery and the rational optimization of new drugs. In this thesis, a new docking software aiming at this goal is presented, EADock. It uses a hybrid evolutionary algorithm with two fitness functions, in combination with a sophisticated management of the diversity. EADock is interfaced with .the CHARMM package for energy calculations and coordinate handling. A validation was carried out on 37 crystallized protein-ligand complexes featuring 11 different proteins. The search space was defined as a sphere of 15 R around the center of mass of the ligand position in the crystal structure, and conversely to other benchmarks, our algorithms was fed with optimized ligand positions up to 10 A root mean square deviation 2MSD) from the crystal structure. This validation illustrates the efficiency of our sampling heuristic, as correct binding modes, defined by a RMSD to the crystal structure lower than 2 A, were identified and ranked first for 68% of the complexes. The success rate increases to 78% when considering the five best-ranked clusters, and 92% when all clusters present in the last generation are taken into account. Most failures in this benchmark could be explained by the presence of crystal contacts in the experimental structure. EADock has been used to understand molecular interactions involved in the regulation of the Na,K ATPase, and in the activation of the nuclear hormone peroxisome proliferatoractivated receptors a (PPARa). It also helped to understand the action of common pollutants (phthalates) on PPARy, and the impact of biotransformations of the anticancer drug Imatinib (Gleevec®) on its binding mode to the Bcr-Abl tyrosine kinase. Finally, a fragment-based rational drug design approach using EADock was developed, and led to the successful design of new peptidic ligands for the a5ß1 integrin, and for the human PPARa. In both cases, the designed peptides presented activities comparable to that of well-established ligands such as the anticancer drug Cilengitide and Wy14,643, respectively. 3.2 French Les récentes difficultés de l'industrie pharmaceutique ne semblent pouvoir se résoudre que par l'optimisation de leur processus de développement de médicaments. Cette dernière implique de plus en plus. de techniques dites "haut-débit", particulièrement efficaces lorsqu'elles sont couplées aux outils informatiques permettant de gérer la masse de données produite. Désormais, les approches in silico telles que le criblage virtuel ou la conception rationnelle de nouvelles molécules sont utilisées couramment. Toutes deux reposent sur la capacité à prédire les détails de l'interaction moléculaire entre une molécule ressemblant à un principe actif (PA) et une protéine cible ayant un intérêt thérapeutique. Les comparatifs de logiciels s'attaquant à cette prédiction sont flatteurs, mais plusieurs problèmes subsistent. La littérature récente tend à remettre en cause leur fiabilité, affirmant l'émergence .d'un besoin pour des approches plus précises du mode d'interaction. Cette précision est essentielle au calcul de l'énergie libre de liaison, qui est directement liée à l'affinité du PA potentiel pour la protéine cible, et indirectement liée à son activité biologique. Une prédiction précise est d'une importance toute particulière pour la découverte et l'optimisation de nouvelles molécules actives. Cette thèse présente un nouveau logiciel, EADock, mettant en avant une telle précision. Cet algorithme évolutionnaire hybride utilise deux pressions de sélections, combinées à une gestion de la diversité sophistiquée. EADock repose sur CHARMM pour les calculs d'énergie et la gestion des coordonnées atomiques. Sa validation a été effectuée sur 37 complexes protéine-ligand cristallisés, incluant 11 protéines différentes. L'espace de recherche a été étendu à une sphère de 151 de rayon autour du centre de masse du ligand cristallisé, et contrairement aux comparatifs habituels, l'algorithme est parti de solutions optimisées présentant un RMSD jusqu'à 10 R par rapport à la structure cristalline. Cette validation a permis de mettre en évidence l'efficacité de notre heuristique de recherche car des modes d'interactions présentant un RMSD inférieur à 2 R par rapport à la structure cristalline ont été classés premier pour 68% des complexes. Lorsque les cinq meilleures solutions sont prises en compte, le taux de succès grimpe à 78%, et 92% lorsque la totalité de la dernière génération est prise en compte. La plupart des erreurs de prédiction sont imputables à la présence de contacts cristallins. Depuis, EADock a été utilisé pour comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de la Na,K ATPase et dans l'activation du peroxisome proliferatoractivated receptor a (PPARa). Il a également permis de décrire l'interaction de polluants couramment rencontrés sur PPARy, ainsi que l'influence de la métabolisation de l'Imatinib (PA anticancéreux) sur la fixation à la kinase Bcr-Abl. Une approche basée sur la prédiction des interactions de fragments moléculaires avec protéine cible est également proposée. Elle a permis la découverte de nouveaux ligands peptidiques de PPARa et de l'intégrine a5ß1. Dans les deux cas, l'activité de ces nouveaux peptides est comparable à celles de ligands bien établis, comme le Wy14,643 pour le premier, et le Cilengitide (PA anticancéreux) pour la seconde.

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

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

Molecular characterization of soybean cultivars by microsatellite markers with universal tail sequence

The objective of this work was to standardize a semiautomated method for genotyping soybean, based on universal tail sequence primers (UTSP), and to compare it with the conventional genotyping method that uses electrophoresis in polyacrylamide gels. Thirty soybean cultivars were genotypically characterized by both methods, using 13 microsatellite loci. For the UTSP method, the number of alleles (NA) was 50 (2-7 per marker) and the polymorphic information content (PIC) ranged from 0.40 to 0.74. For the conventional method, the NA was 38 (2-5 per marker) and the PIC varied from 0.39 to 0.67. The genetic dissimilarity matrices obtained by the two methods were highly correlated with each other (0.8026), and the formed groups were coherent with the phenotypic data used for varietal registration. The 13 markers allowed the distinction of all analyzed cultivars. The low cost of the UTSP method, associated with its high accuracy, makes it ideal for the characterization of soybean cultivars and for the determination of genetic purity.

Genetic diversity of irrigated barley based on molecular and quantitative data and on malting quality

The objective of this work was to quantify the genetic diversity of elite genotypes of irrigated barley in the Brazilian savanna. Thirty elite barley genotypes from Embrapa Cerrados' collection were evaluated using 160 RAPD markers, 12 agronomic traits related to yield components, and 10 malting quality parameters. The genetic dissimilarity matrices based on molecular markers, quantitative traits, and malting quality characters were calculated and a cluster analysis was performed using the unweighted pair-group method with arithmetic mean (UPGMA) as grouping criterion. High genetic diversity among accessions were observed. The estimated genetic dissimilarities were weakly correlated, showing the complementarity of the different character groups. Selection indices and graphical dispersion analysis allowed the selection of promising genotypes and the indication of suitable crosses for maximizing the heterotic effects in breeding programs for irrigated barley in the Brazilian savanna.

Molecular epidemiology of Pseudomonas aeruginosa in intensive care units over a 10-year period (1998-2007).

Pseudomonas aeruginosa is one of the leading nosocomial pathogens in intensive care units (ICUs). The source of this microorganism can be either endogenous or exogenous. The proportion of cases as a result of transmission is still debated, and its elucidation is important for implementing appropriate control measures. To understand the relative importance of exogenous vs. endogenous sources of P. aeruginosa, molecular typing was performed on all available P. aeruginosa isolated from ICU clinical and environmental specimens in 1998, 2000, 2003, 2004 and 2007. Patient samples were classified according to their P. aeruginosa genotypes into three categories: (A) identical to isolate from faucet; (B) identical to at least one other patient sample and not found in faucet; and (C) unique genotype. Cases in categories A and B were considered as possibly exogenous, and cases in category C as possibly endogenous. A mean of 34 cases per 1000 admissions per year were found to be colonized or infected by P. aeruginosa. Higher levels of faucet contamination were correlated with a higher number of cases in category A. The number of cases in category B varied from 1.9 to 20 cases per 1000 admissions. This number exceeded 10/1000 admissions on three occasions and was correlated with an outbreak on one occasion. The number of cases considered as endogenous (category C) was stable and independent of the number of cases in categories A and B. The present study shows that repeated molecular typing can help identify variations in the epidemiology of P. aeruginosa in ICU patients and guide infection control measures.

Urinary low-molecular-weight protein excretion in pediatric idiopathic nephrotic syndrome.

BACKGROUND: Minimal change disease (MCD) and focal segmental glomerulosclerosis (FSGS) are the most common causes of idiopathic nephrotic syndrome (INS). We have evaluated the reliability of urinary neutrophil-gelatinase-associated lipocalin (uNGAL), urinary alpha1-microglobulin (uα1M) and urinary N-acetyl-beta-D-glucosaminidase (uβNAG) as markers for differentiating MCD from FSGS. We have also evaluated whether these proteins are associated to INS relapses or to glomerular filtration rate (GFR). METHODS: The patient cohort comprised 35 children with MCD and nine with FSGS; 19 healthy age-matched children were included in the study as controls. Of the 35 patients, 28 were in remission (21 MCD, 7 FSGS) and 16 were in relapse (14 MCD, 2 FSGS). The prognostic accuracies of these proteins were assessed by receiver operating characteristic (ROC) curve analyses. RESULTS: The level of uNGAL, indexed or not to urinary creatinine (uCreat), was significantly different between children with INS and healthy children (p = 0.02), between healthy children and those with FSGS (p = 0.007) and between children with MCD and those with FSGS (p = 0.01). It was not significantly correlated to proteinuria or GFR levels. The ROC curve analysis showed that a cut-off value of 17 ng/mg for the uNGAL/uCreat ratio could be used to distinguish MCD from FSGS with a sensitivity of 0.77 and specificity of 0.78. uβNAG was not significantly different in patients with MCD and those with FSGS (p = 0.86). Only uα1M, indexed or not to uCreat, was significantly (p < 0.001) higher for patients in relapse compared to those in remission. CONCLUSIONS: Our results indicate that in our patient cohort uNGAL was a reliable biomarker for differentiating MCD from FSGS independently of proteinuria or GFR levels.

Predicting prognosis using molecular profiling in estrogen receptor-positive breast cancer treated with tamoxifen.

Background: Estrogen receptor positive (ER+) breast cancers (BC) are heterogeneous with regard to their clinical behavior and response to therapies. The ER is currently the best predictor of response to the anti-estrogen agent tamoxifen, yet up to 30-40% of ER+ BC will relapse despite tamoxifen treatment. New prognostic biomarkers and further biological understanding of tamoxifen resistance are required. We used gene expression profiling to develop an outcome-based predictor using a training set of 255 ER+ BC samples from women treated with adjuvant tamoxifen monotherapy. We used clusters of highly correlated genes to develop our predictor to facilitate both signature stability and biological interpretation. Independent validation was performed using 362 tamoxifen-treated ER+ BC samples obtained from multiple institutions and treated with tamoxifen only in the adjuvant and metastatic settings.Results: We developed a gene classifier consisting of 181 genes belonging to 13 biological clusters. In the independent set of adjuvantly-treated samples, it was able to define two distinct prognostic groups (HR 2.01 95% CI: 1.29-3.13; p = 0.002). Six of the 13 gene clusters represented pathways involved in cell cycle and proliferation. In 112 metastatic breast cancer patients treated with tamoxifen, one of the classifier components suggesting a cellular inflammatory mechanism was significantly predictive of response.Conclusion: We have developed a gene classifier that can predict clinical outcome in tamoxifen-treated ER+ BC patients. Whilst our study emphasizes the important role of proliferation genes in prognosis, our approach proposes other genes and pathways that may elucidate further mechanisms that influence clinical outcome and prediction of response to tamoxifen.

NMR chemical shifts of the rhodopsin chromophore in the dark state and in bathorhodopsin: a hybrid QM/MM molecular dynamics study.

We investigate nuclear magnetic resonance (NMR) parameters of the rhodopsin chromophore in the dark state of the protein and in the early photointermediate bathorhodopsin via first-principles molecular dynamics simulations and NMR chemical shift calculations in a hybrid quantum/classical (QM/MM) framework. NMR parameters are particularly sensitive to structural properties and to the chemical environment, which allows us to address different questions about the retinal chromophore in situ. Our calculations show that both the 13C and the 1H NMR chemical shifts are rather insensitive to the protonation state of Glu181, an ionizable amino acid side chain located in the vicinity of the isomerizing 11-cis bond. Thus, other techniques should be better suited to establish its protonation state. The calculated chemical shifts for bathorhodopsin further support our previously published theoretical structure, which is in very good agreement with more recent X-ray data.

Molecular mechanism of a green-shifted, pH-dependent red fluorescent protein mKate variant.

Fluorescent proteins that can switch between distinct colors have contributed significantly to modern biomedical imaging technologies and molecular cell biology. Here we report the identification and biochemical analysis of a green-shifted red fluorescent protein variant GmKate, produced by the introduction of two mutations into mKate. Although the mutations decrease the overall brightness of the protein, GmKate is subject to pH-dependent, reversible green-to-red color conversion. At physiological pH, GmKate absorbs blue light (445 nm) and emits green fluorescence (525 nm). At pH above 9.0, GmKate absorbs 598 nm light and emits 646 nm, far-red fluorescence, similar to its sequence homolog mNeptune. Based on optical spectra and crystal structures of GmKate in its green and red states, the reversible color transition is attributed to the different protonation states of the cis-chromophore, an interpretation that was confirmed by quantum chemical calculations. Crystal structures reveal potential hydrogen bond networks around the chromophore that may facilitate the protonation switch, and indicate a molecular basis for the unusual bathochromic shift observed at high pH. This study provides mechanistic insights into the color tuning of mKate variants, which may aid the development of green-to-red color-convertible fluorescent sensors, and suggests GmKate as a prototype of genetically encoded pH sensors for biological studies.

Comprehensive Molecular Portraits of Invasive Lobular Breast Cancer.

Invasive lobular carcinoma (ILC) is the second most prevalent histologic subtype of invasive breast cancer. Here, we comprehensively profiled 817 breast tumors, including 127 ILC, 490 ductal (IDC), and 88 mixed IDC/ILC. Besides E-cadherin loss, the best known ILC genetic hallmark, we identified mutations targeting PTEN, TBX3, and FOXA1 as ILC enriched features. PTEN loss associated with increased AKT phosphorylation, which was highest in ILC among all breast cancer subtypes. Spatially clustered FOXA1 mutations correlated with increased FOXA1 expression and activity. Conversely, GATA3 mutations and high expression characterized luminal A IDC, suggesting differential modulation of ER activity in ILC and IDC. Proliferation and immune-related signatures determined three ILC transcriptional subtypes associated with survival differences. Mixed IDC/ILC cases were molecularly classified as ILC-like and IDC-like revealing no true hybrid features. This multidimensional molecular atlas sheds new light on the genetic bases of ILC and provides potential clinical options.