Protein quality and distribution determines anabolic signaling, cellular energetics, and body composition

Building and maintaining muscle is critical to the quality of life for adults and elderly. Physical activity and nutrition are important factors for long-term muscle health. In particular, dietary protein – including protein distribution and quality – are under-appreciated determinants of muscle health for adults. The most unequivocal evidence for the benefit of optimal dietary protein at individual meals is derived from studies of weight management. During the catabolic condition of weight loss, higher protein diets attenuate loss of lean tissue and partition weight loss to body fat when compared with commonly recommended high carbohydrate, low protein diets. Muscle protein turnover is a continuous process in which proteins are degraded, and replaced by newly synthesized proteins. Muscle growth occurs when protein synthesis exceeds protein degradation. Regulation of protein synthesis is complex, with multiple signals influencing this process. The mammalian target of rapamycin (mTORC1) pathway has been identified as a particularly important regulator of protein synthesis, via stimulation of translation initiation. Key regulatory points of translation initiation effected by mTORC1 include assembly of the eukaryotic initiation factor 4F (eIF4F) complex and phosphorylation of the 70 kilodalton ribosomal protein S6 kinase (S6K1). Assembly of the eIF4F initiation complex involves phosphorylation of the inhibitory eIF4E binding protein-1 (4E-BP1), which releases the initiation factor eIF4E and allows it to bind with eIF4G. Binding of eIF4E with eIF4G promotes preparation of the mRNA for binding to the 43S pre-initiation complex. Consumption of the amino acid leucine (Leu) is a key factor determining the anabolic response of muscle protein synthesis (MPS) and mTORC1 signaling to a meal. Research from this dissertation demonstrates that the peak activation of MPS following a complete meal is proportional to the Leu content of a meal and its ability to elevate plasma Leu. Leu has also been implicated as an inhibitor of muscle protein degradation (MPD). In particular, there is evidence suggesting that in muscle wasting conditions Leu supplementation attenuates expression of the ubiquitin-proteosome pathway, which is the primary mode of intracellular protein degradation. However, this is untested in healthy, physiological feeding models. Therefore, an experiment was performed to see if feeding isonitrogenous protein sources with different Leu contents to healthy adult rats would differentially impact ubiquitin-proteosome (protein degradation) outcomes; and if these outcomes are related to the meal responses of plasma Leu. Results showed that higher Leu diets were able to attenuate total proteasome content but had no effect on ubiquitin proteins. This research shows that dietary Leu determines postprandial muscle anabolism. In a parallel line of research, the effects of dietary Leu on changes in muscle mass overtime were investigated. Animals consuming higher Leu diets had larger gastrocnemius muscle weights; furthermore, gastrocnemius muscle weights were correlated with postprandial changes in MPS (r=0.471, P<0.01) and plasma Leu (r=0.400, P=0.01). These results show that the effect of Leu on ubiquitin-proteosome pathways is minimal for healthy adult rats consuming adequate diets. Thus, long-term changes in muscle mass observed in adult rats are likely due to the differences in MPS, rather than MPD. Factors determining the duration of Leu-stimulated MPS were further investigated. Despite continued elevations in plasma Leu and associated translation initiation factors (e.g., S6K1 and 4E-BP1), MPS returned to basal levels ~3 hours after a meal. However, administration of additional nutrients in the form of carbohydrate, Leu, or both ~2 hours after a meal was able to extend the elevation of MPS, in a time and dose dependent manner. This effect led to a novel discovery that decreases in translation elongation activity was associated with increases in activity of AMP kinase, a key cellular energy sensor. This research shows that the Leu density of dietary protein determines anabolic signaling, thereby affecting cellular energetics and body composition.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

A Best Practice Process for Fleet Safety Training

This paper outlines a process for fleet safety training based on research and management development programmes undertaken at the University of Huddersfield in the UK (www.hud.ac.uk/sas/trans/transnews.htm) and CARRS-Q in Australia (www.carrsq.qut.edu.au/staff/Murray.jsp) over the past 10 years.