Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

Evolutionary ecology of learning: insights from fruit flies

Ecologically and evolutionarily oriented research on learning has traditionally been carried out on vertebrates and bees. While less sophisticated than those animals, fruit flies (Drosophila) are capable of several forms of learning, and have an advantage of a short generation time, which makes them an ideal system for experimental evolution studies. This review summarizes the insights into evolutionary questions about learning gained in the last decade from evolutionary experiments on Drosophila. These experiments demonstrate that Drosophila have the genetic potential to evolve substantially improved learning performance in ecologically relevant learning tasks. In at least one set of selected populations the improved learning generalized to another task than that used to impose selection, involving a different behavior, different stimuli, and a different sensory channel for the aversive reinforcement. This improvement in learning ability was associated with reduction in other fitness-related traits, such as larval competitive ability and lifespan, pointing out to evolutionary trade-offs of improved learning. These trade-offs were confirmed by other evolutionary experiments where reduction in learning performance was observed as a correlated response to selection for tolerance to larval nutritional stress or for delayed aging. Such trade-offs could be one reason why fruit flies have not fully used up their evolutionary potential for learning ability. Finally, another evolutionary experiment with Drosophila provided the first direct evidence for the long-standing ideas that learning can under some circumstances accelerate and in other slow down genetically-based evolutionary change. These results demonstrate the usefulness of fruit flies as a model system to address evolutionary questions about learning.

Interactions between learning and immunity in Drosophila melanogaster

Learning and immunity are two adaptive traits with roles in central aspects of an organism's life: learning allows adjusting behaviours in changing environments, while immunity protects the body integrity against parasites and pathogens. While we know a lot about how these two traits interact in vertebrates, the interactions between learning and immunity remain poorly explored in insects. During my PhD, I studied three possible ways in which these two traits interact in the model system Drosophila melanogaster, a model organism in the study of learning and in the study of immunity. Learning can affect the behavioural defences against parasites and pathogens through the acquisition of new aversions for contaminated food for instance. This type of learning relies on the ability to associate a food-related cue with the visceral sickness following ingestion of contaminated food. Despite its potential implication in infection prevention, the existence of pathogen avoidance learning has been rarely explored in invertebrates. In a first part of my PhD, I tested whether D. melanogaster, which feed on food enriched in microorganisms, innately avoid the orally-acquired 'novel' virulent pathogen Pseudomonas entomophila, and whether it can learn to avoid it. Although flies did not innately avoid this pathogen, they decreased their preference for contaminated food over time, suggesting the existence of a form of learning based likely on infection-induced sickness. I further found that flies may be able to learn to avoid an odorant which was previously associated with the pathogen, but this requires confirmation with additional data. If this is confirmed, this would be the first time, to my knowledge, that pathogen avoidance learning is reported in an insect. The detrimental effect of infection on cognition and more specifically on learning ability is well documented in vertebrates and in social insects. While the underlying mechanisms are described in detail in vertebrates, experimental investigations are lacking in invertebrates. In a second part of my PhD, I tested the effect of an oral infection with natural pathogens on associative learning of D. melanogaster. By contrast with previous studies in insects, I found that flies orally infected with the virulent P. entomophila learned better the association of an odorant with mechanical shock than uninfected flies. The effect seems to be specific to a gut infection, and so far I have not been able to draw conclusions on the respective contributions of the pathogen's virulence and of the flies' immune activity in this effect. Interestingly, infected flies may display an increased sensitivity to physical pain. If the learning improvement observed in infected flies was due partially to the activity of the immune system, my results would suggest the existence of physiological connections between the immune system and the nervous system. The basis of these connections would then need to be addressed. Learning and immunity are linked at the physiological level in social insects. Physiological links between traits often result from the expression of genetic links between these traits. However, in social insects, there is no evidence that learning and immunity may be involved in an evolutionary trade-off. I previously reported a positive effect of infection on learning in D. melanogaster. This might suggest that a positive genetic link could exist between learning and immunity. We tested this hypothesis with two approaches: the diallel cross design with inbred lines, and the isofemale lines design. The two approaches provided consistent results: we found no additive genetic correlation between learning and resistance to infection with the diallel cross, and no genetic correlation in flies which are not yet adapted to laboratory conditions in isofemale lines. Consistently with the literature, the two studies suggested that the positive effect of infection on learning I observed might not be reflected by a positive evolutionary link between learning and immunity. Nevertheless, the existence of complex genetic relationships between the two traits cannot be excluded. - L'apprentissage et l'immunité sont deux caractères à valeur adaptative impliqués dans des aspects centraux de la vie d'un organisme : l'apprentissage permet d'ajuster les comportements pour faire face aux changements de l'environnement, tandis que l'immunité protège l'intégrité corporelle contre les attaques des parasites et des pathogènes. Alors que les interactions entre l'apprentissage et l'immunité sont bien documentées chez les vertébrés, ces interactions ont été très peu étudiées chez les insectes. Pendant ma thèse, je me suis intéressée à trois aspects des interactions possibles entre l'apprentissage et l'immunité chez la mouche du vinaigre Drosophila melanogaster, qui est un organisme modèle dans l'étude à la fois de l'apprentissage et de l'immunité. L'apprentissage peut affecter les défenses comportementales contre les parasites et les pathogènes par l'acquisition de nouvelles aversions pour la nourriture contaminée par exemple. Ce type d'apprentissage repose sur la capacité à associer une caractéristique de la nourriture avec la maladie qui suit l'ingestion de cette nourriture. Malgré les implications potentielles pour la prévention des infections, l'évitement appris des pathogènes a été rarement étudié chez les invertébrés. Dans une première partie de ma thèse, j'ai testé si les mouches, qui se nourrissent sur des milieux enrichis en micro-organismes, évitent de façon innée un 'nouveau' pathogène virulent Pseudomonas entomophila, et si elles ont la capacité d'apprendre à l'éviter. Bien que les mouches ne montrent pas d'évitement inné pour ce pathogène, elles diminuent leur préférence pour de la nourriture contaminée dans le temps, suggérant l'existence d'une forme d'apprentissage basée vraisemblablement sur la maladie générée par l'infection. J'ai ensuite observé que les mouches semblent être capables d'apprendre à éviter une odeur qui était au préalable associée avec ce pathogène, mais cela reste à confirmer par la collecte de données supplémentaires. Si cette observation est confirmée, cela sera la première fois, à ma connaissance, que l'évitement appris des pathogènes est décrit chez un insecte. L'effet détrimental des infections sur la cognition et plus particulièrement sur les capacités d'apprentissage est bien documenté chez les vertébrés et les insectes sociaux. Alors que les mécanismes sous-jacents sont détaillés chez les vertébrés, des études expérimentales font défaut chez les insectes. Dans une seconde partie de ma thèse, j'ai mesuré les effets d'une infection orale par des pathogènes naturels sur les capacités d'apprentissage associatif de la drosophile. Contrairement aux études précédentes chez les insectes, j'ai trouvé que les mouches infectées par le pathogène virulent P. entomophila apprennent mieux à associer une odeur avec des chocs mécaniques que des mouches non infectées. Cet effet semble spécifique à l'infection orale, et jusqu'à présent je n'ai pas pu conclure sur les contributions respectives de la virulence du pathogène et de l'activité immunitaire des mouches dans cet effet. De façon intéressante, les mouches infectées pourraient montrer une plus grande réactivité à la douleur physique. Si l'amélioration de l'apprentissage observée chez les mouches infectées était due en partie à l'activité du système immunitaire, mes résultats suggéreraient l'existence de connections physiologiques entre le système immunitaire et le système nerveux. Les mécanismes de ces connections seraient à explorer. L'apprentissage et l'immunité sont liés sur un plan physiologique chez les insectes sociaux. Les liens physiologiques entre les caractères résultent souvent de l'expression de liens entre ces caractères au niveau génétique. Cependant, chez les insectes sociaux, il n'y a pas de preuve que l'apprentissage et l'immunité soient liés par un compromis évolutif. J'ai précédemment rapporté un effet positif de l'infection sur l'apprentissage chez la drosophile. Cela pourrait suggérer qu'une relation génétique positive existerait entre l'apprentissage et l'immunité. Nous avons testé cette hypothèse par deux approches : le croisement diallèle avec des lignées consanguines, et les lignées isofemelles. Les deux approches ont fournies des résultats similaires : nous n'avons pas détecté de corrélation génétique additive entre l'apprentissage et la résistance à l'infection avec le croisement diallèle, et pas de corrélation génétique chez des mouches non adaptées aux conditions de laboratoire avec les lignées isofemelles. En ligne avec la littérature, ces deux études suggèrent que l'effet positif de l'infection sur l'apprentissage que j'ai précédemment observé ne refléterait pas un lien évolutif positif entre l'apprentissage et l'immunité. Néanmoins, l'existence de relations génétiques complexes n'est pas exclue.

Effect of biological surlie ageing on the sparkling wines’ quality and elaoration

Report for the scientific sojourn at the Université de Bourgogne, France, from July until October 2007..Surlie ageing after second fermentation is a fundamental operation in the production of quality sparkling wine like Cava and Champagne. Recently, the importance of the interaction between wine and lees cell surface has been reported. Cell surface properties depending on wall biochemical composition are major determinants in microbial interactions, having important repercussions in several technological aspects. Sorption and flocculation are especially important in sparkling wine production, and are governed by distinct cell surface properties. The aim of the present research carried out during the four months of the stage was to know the implication of lees surface modifications occurring during surlie ageing in sparkling wine quality and elaboration. The relationship between physico-chemical properties such as hydrophobicity, charge and electron-donor characteristics, and the yeast surface sorption capacities, we determined these factors in a model system. Then, real industrial lees samples were investigated. The surface properties of sparkling wine lees from the same strain of Saccharomyces cerevisiae were characterized according to the time of surlie ageing, and their possible influence on lees sorption and flocculation capacity was evaluated. Surlie ageing after second fermentation is a fundamental operation in the production of quality sparkling wine like Cava and Champagne. Recently, the importance of the interaction between wine and lees cell surface has been reported. Cell surface properties depending on wall biochemical composition are major determinants in microbial interactions, having important repercussions in several technological aspects. Sorption and flocculation are especially important in sparkling wine production, and are governed by distinct cell surface properties. The aim of the present research carried out during the four months of the stage was to know the implication of lees surface modifications occurring during surlie ageing in sparkling wine quality and elaboration. The relationship between physico-chemical properties such as hydrophobicity, charge and electron-donor characteristics, and the yeast surface sorption capacities, we determined these factors in a model system. Then, real industrial lees samples were investigated. The surface properties of sparkling wine lees from the same strain of Saccharomyces cerevisiae were characterized according to the time of surlie ageing, and their possible influence on lees sorption and flocculation capacity was evaluated.

Measuring the inflammasome.

Inflammasomes are multiprotein complexes whose activity has been implicated in physiological and pathological inflammation. The hallmarks of inflammasome activation are the secretion of the mature forms of Caspase-1 and IL-1β from cells of the innate immune system. This protocol covers the methods required to study inflammasome activation using mouse bone marrow-derived dendritic cells (BMDCs) as a model system. The protocol includes the generation and handling of BMDCs, the stimulation of BMDCs with established Nlrp3 inflammasome activators, and the measurement of activation by both ELISA and western blot. These methods can be useful for the study of potential inflammasome activators, and of the signaling pathways involved in inflammasome activation. General considerations are provided that may help in the design and optimization of modified methods for the study of other types of inflammasomes and in other cell types.

The novel hydroxylamine derivative NG-094 suppresses polyglutamine protein toxicity in Caenorhabditis elegans.

Aggregation-prone polyglutamine (polyQ) expansion proteins cause several neurodegenerative disorders, including Huntington disease. The pharmacological activation of cellular stress responses could be a new strategy to combat protein conformational diseases. Hydroxylamine derivatives act as co-inducers of heat-shock proteins (HSPs) and can enhance HSP expression in diseased cells, without significant adverse effects. Here, we used Caenorhabditis elegans expressing polyQ expansions with 35 glutamines fused to the yellow fluorescent protein (Q35-YFP) in body wall muscle cells as a model system to investigate the effects of treatment with a novel hydroxylamine derivative, NG-094, on the progression of polyQ diseases. NG-094 significantly ameliorated polyQ-mediated animal paralysis, reduced the number of Q35-YFP aggregates and delayed polyQ-dependent acceleration of aging. Micromolar concentrations of NG-094 in animal tissues with only marginal effects on the nematode fitness sufficed to confer protection against polyQ proteotoxicity, even when the drug was administered after disease onset. NG-094 did not reduce insulin/insulin-like growth factor 1-like signaling, but conferred cytoprotection by a mechanism involving the heat-shock transcription factor HSF-1 that potentiated the expression of stress-inducible HSPs. NG-094 is thus a promising candidate for tests on mammalian models of polyQ and other protein conformational diseases.

The roles of PKCδ and Src kinases in the glucocorticoid induction and the TGF-β superinduction of the mouse mammary tumor virus transcription in B lymphocytes

Résumé : Le virus tumoral de la glande mammaire de la souris (MMTV) est un rétrovirus provoquant le développement de tumeurs dans les glandes mammaires des souris susceptibles femelles. Au cours de son évolution, le virus s'est adapté et s'exprime dans des cellules spécialisées. Les lymphocytes B sont les premières cellules infectées et elles sont essentielles pour la propagation de l'infection aux glandes mammaires. Dans notre étude, le virus MMTV a été utilisé afin d'examiner les voies de signalisation induites par les glucocorticoïdes (dexaméthasone (dex), une hormone stéroïdienne) et le transforming growth factor-f3 (TGF-P, une cytokine), deux molécules impliquées dans l'activation de la transcription à partir du promoteur du MMTV dans les cellules B. Le TGF-P seul n'influence pas l'activité du promoteur du MMTV. Par contre, en synergie avec dex, le TGF-P provoque une super-induction de l'expression du promoteur par rapport à une stimulation par le glucocorticoïde seul. Cette super-induction est régulée par une famille de protéines, les Smads. Ainsi, dans les lymphocytes B, l'utilisation du MMTV a permis de mettre en évidence une nouvelle synergie entre les glueocortieoïdes et le TGF-p. pans ce travail, l'utilisation d'inhibiteurs pharmacologiques et de mutants « dominant-négatifs » nous a pet mis de démontrer qu'une Protéine Kinase C delta (PKC5) active est impliquée dans la transduction du signal lors de la réponse au dex ainsi que celle au TGF-P. Néanmoins, la PKC5 est régulée différemment dans chaque voie spécifique : la voie du TGF-p nécessitait l'activation du PKC5 par diacylglycerol (DAG) et la phosphorylation de tyrosines spécifiques, alors que la voie impliquant les glucocorticoïdes ne le nécessitait pas. Nous avons aussi démontré qu'une tyrosine kinase de la famille Src est responsable de la phosphorylation des tyrosines sur la PKC5. Les essais de kinase in vitro nous ont permis de découvrir que plusieurs Src kinases peuvent phosphoryler la PKC6 dans les cellules B et qu'elles étaient constitutivement actives. Enfin, nous avons montré qu'il existe une interaction protéine - protéine induite par dex, entre le récepteur aux glucocorticoïdes (GR) et la PKC5 dans les cellules B, une association qui n'a pas été démontrée auparavant. Par ailleurs, nous avons analysé les domaines d'interactions entre PKC5 et GR en utilisant les essais de «GST pull-down». Nos résultats montrent que le domaine régulateur de la PKC5 et celui qui interagit avec l'ADN du GR sont impliqués. En résumé, nous avons trouvé que dans une lignée lymphocytaire B, le virus MMTV utilise des mécanismes pour réguler à la fois la transcription et la voie de signalisation qui sont différents de ceux utilisés dans les cellules mammaires épithéliales et les fibroblastes. Nos découvertes pourraient être utilisées comme modèles pour l'étude de gènes cellulaires impliqués dans des processus tels qu'inflammation, immunité ou cancérogénèse. Summary: Mouse Mammary Tumor Virus (MMTV) is a retrovirus that causes tumors in the mammary glands of susceptible female mice and has adapted evolutionarily to be expressed in specialized cells. The B lymphocytes are the first cells to be infected by the MMTV and are essential for the spread of infection to the mammary glands. Here, we used the MMTV as a model system to investigate the signalling cascade induced by giucocorticoids (dexamethasone, "dex", a steroid hormone), and by Transforming Growth Factor-beta (TGF-P, a cytokine) leading to its transcriptional activation in B lymphocytes. By itself, TGF-I3 does not affect the basal activity of the MMTV promoter. However, TGF-13 significantly increases glucocorticoid-induced expression, through its effectors, the Smad factors. Thus, MMTV in B cells demonstrates a novel synergism between glucocorticoids and TGF-16. In this thesis project, we present evidence, based on the use of pharmacological inhibitors and of dominant-negative mutants, that an active Protein Kinase C delta (PKC6) is required as a signal transducer for the dex response and for the TGF-P superinduction as well. The PKC6 is differentially regulated in each specific pathway: whereas the TGF-13 superinduction required PKC6 to be activated by diacylglycerol (DAG) and to be phosphorylated at specific tyrosine residues, the glueocorticoid-induced pathway did not. We also showed that a protein tyrosine kinase of the Src family is responsible for the phosphorylation of tyrosines on PKC6. By performing in vitro kinase assays, we found that several Src kinases of B cells were able to phosphorylate PKC6 and that they were constitutively active. Finally, we demonstrate a dex-dependent functional protein-protein interaction between the glucocorticoid receptor (GR) and PKC6 in B cells, an association that has not been previously described. We further analysed the interacting domains of PKG6 and GR using in vitro GST pull-down assays, whereby the regulatory domain of PKC6 and the extended DNA-binding domain of the GR were involved. In summary, we found that in B-lymphoid cell lines, MMTV uses novel mechanisms of transcriptional control and signal transduction that are different from those at work in mammary epithelial or fibroblastic cells. These findings will be used as model for cellular genes involved in cellular processes such as immune functions, inflammation, or oncogenic transformation that may have a similar pattern of regulation.

Controlling cytokinesis in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe : the role of dma1; and ubc8

ABSTRACT The fission yeast Schizosaccharomyces pombe is a single celled eukaryote that has proved to be an excellent model system for the study of cell cycle control. S. pombe cells are rod shaped and grow mainly by elongation at their tips. They divide by formation of medially-placed cell wall, or septum, which cleaves the cell in two. Once the cell commits itself to mitosis the site of division is determined by formation of an acto-myosin based contractile ring at the cell cortex. The ring is assembled in stages throughout mitosis and contracts at the end of anaphase, coincident with spindle disassembly. The contraction, but not the assembly, of the ring requires the signal transduction network called the septation initiation network or SIN. The core components of the SIN are three protein kinases (cdc7p, sidl p and sid2p) and their regulatory subunits (spg1 p, cdcl4p and moblp, respectively). Signalling is dependent upon the nucleotide status of the GTPase spgl p, which is regulated by a two-component GAP protein, cdc16p-byr4p. Signalling is thought to emanate from the spindle pole body, where core SIN components are anchored to a scaffold comprised of sid4p and cdc11p. Activation of the SIN requires the protein kinase plolp, which also has additional roles in mitosis. SIN signalling is tightly regulated to assure the proper co-ordination of mitosis and cytokinesis. Ectopic activation of the SIN in interphase can uncouple septum formation from mitosis, while deregulated SIN signalling leads to formation of cells with multiple septa that do not cleave. Regulators of SIN activity are therefore of considerable interest. This study has concentrated upon two of these, dma1 and ubc8. I have demonstrated that dmal becomes essential when SIN signalling is activated. This leads me to propose a tripartite model for regulation of the SIN during the mitotic cell cycle. Increased expression of dma1 inhibits SIN signalling and prevents cell division. To identify potential targets and mediators of this, multicopy suppressors of dma1 toxicity were identified. One of these, ubc8, is the subject of this thesis. Genetic and molecular analyses are consistent with the view that ubc8p acts as an inhibitor of the SIN Localisation of ubc8p indicates that it is a nuclear protein. The ubc8 gene is not essential, but in its absence cells are unable to prevent septum formation if progression through mitosis is impaired. These data suggest that it may be an effector of the spindle assembly checkpoint. Together, these data shed new light upon the mechanisms by which cytokinesis is regulated in S. pombe. RESUME La levure Schizosaccharomyces pombe est un eucaryote unicellulaire qui est un bon système d'étude du cycle cellulaire. Les cellules de S. pombe sont en forme de bâtonnets et poussent par allongement aux deux bouts. Elles se divisent en formant une paroi au milieu de la cellule, qui s'appelle un septum et qui sépare la cellule en deux. Une fois que la cellule est engagée dans la mitose, le site de clivage est déterminé par la formation d'un anneau contractile d'acto-myosine au niveau du cortex cellulaire. Cet anneau est séquentiellement assemblé au cours de la mitose et se contacte à la fin de l'anaphase, au moment où le fuseau mitotique et désassemblé. La contraction, mais non pas l'assemblage, de l'anneau dépend d'un réseau de signalisation appelé septation initiation netvvork' ou SIN. Les composants centraux du SIN sont trois kinases (cdc7, sidi et sid2) ainsi que leurs sous-unités régulatrices (spgl, cdc14 et mob1, respectivement). La signalisation dépend du nucléotide rattaché à la GTPase spgl qui est régulée par une GAP comprenant deux sous-unités cdc16 et byr4. La signalisation est présumée provenir du pôle du fuseau où les composants centraux du SIN sont ancrés grâce à un échafaudage comprenant sid4 et cdcl 1. La signalisation est étroitement régulée pour assurer une bonne coordination entre mitose et cytokinèse. Une activation ectopique du SIN en interphase peut découpler la formation du septum de la mitose, engendrant des cellules à multiples septa qui ne sont pas clivés. C'est pourquoi les régulateurs du SIN sont d'un intérêt considérable. Cette étude se concentre autour de deux ces régulateurs, dma1 et ubc8. J'ai montré que dma1 devient essentiel quand la signalisation du SIN est activée. Ceci m'amène à proposer un modèle en trois parties pour la régulation du SIN durant la mitose. Une expression élevée de dma1 inhibe la signalisation du SIN et empêche la division cellulaire. Afin d'identifier des substrats ou médiateurs potentiels de la toxicité de dma1, des supresseurs en copies multiples ont été identifiés. Un de ces supresseurs, ubc8, constitue le deuxième sujet de cette thèse. Les études génétiques et moléculaires suggèrent un rôle inhibiteur du SIN par ubc8. Ubc8p est une protéine nucléaire, non essentielle, mais en son absence les cellules ne peuvent pas restreindre la fomation du septum, lorsque la progression de la mitose est perturbée. Les données suggèrent que ubc8 pourrait être un effecteur de point de contrôle de l'assemblage du fuseau mitotique. Prises dans leur ensemble, ces données apportent un nouvel éclairage sur les mécanismes de régulation de la cytokinèse dans S. pombe.

Genetic analysis of c-Myc in mouse bone marrow and liver

1. Summary The transcription factor and proto-oncogene c-myc plays an important role in integrating many mitogenic signals within the cell. The consequences are both broad and varied and include the regulation of apoptosis, cellular differentiation, cellular growth and cell cycle progression. It is found to be mis-regulated in over 70% of all cancers, however, our knowledge about c-Myc remains limited and very little is known about its physiological role in mammalian development and in adulthood. We have addressed the physiological role of c-Myc in both the bone marrow and the liver of mice by generating adult c-myc flox/flox mice that lacked c-myc in either the bone marrow or the liver after conversion of the c-myc flox alleles into null alleles by the inducible Mx¬Cre transgene with polyI-polyC. In investigating the role of c-Myc in the haematopoietic system, we concentrated on the aspects of cellular proliferation, cellular differentiation and apoptosis. Mice lacking c-Myc develop anaemia between 3-8 weeks and all more differentiated cell types are severely depleted leading to death. However in addition to its role in driving proliferation in transient amplifying cells, we unexpectedly discovered a new role for c-Myc in controlling haematopoietic stem cell (HSC) differentiation. c-Myc deficient HSCs are able to proliferate normally in vivo. In addition, their differentiation into more committed progenitors is blocked. These cells expressed increased adhesion molecules, which possibly prevent HSCs from being released from the special stem cell supporting stromal niche cells with which they closely associate. Secondly we used the liver as a model system to address the role of c-Myc in cellular growth, meaning the increase in cell size, and also cellular proliferation. Our results revealed c-Myc to play no role in metabolic cellular growth following a period of fasting. Following treatment with the xenobiotic TCPOBOP, c-Myc deficient hepatocytes increased in cell size as control hepatocytes and could surprisingly proliferate albeit at a reduced rate demonstrating a c-Myc independent proliferation pathway to exist in parenchymal cells. However, following partial hepatectomy, in which two-thirds of the liver was removed, mutant livers were severely restricted in their regeneration capacity compared to control livers demonstrating that c-Myc is essential for liver regeneration. Résumé Le facteur de transcription et proto-oncogène c-myc joue un rôle important dans l'intégration de nombreux signaux mitogéniques dans la cellule. Les conséquences de son activation sont étendues et variées et incluent la régulation de l'apoptose, de la différenciation, de la croissance et de la progression du cycle cellulaire. Même si plus de 20% des cancers montrent une dérégulation de c-myc, les connaissances sur ce facteur de transcription restent limitées et ses rôles physiologiques au cours du développement et chez l'adulte sont très peu connus. Nous avons étudié le rôle physiologique de c-Myc dans la molle osseuse et le foie murin en générant des souris adultes c-myc flox/flox. Dans ces souris, les allèles c-myc flox sont convertis en allèles nuls par le transgène Mx-Cre après induction avec du Poly-I.C. Pour notre étude du rôle de c-Myc dans le système hématopoiétique, nous nous sommes concentrés sur les aspects de la prolifération et de la différenciation cellulaire, ainsi que sur l'apoptose. Les souris déficientes pour c-Myc développent une anémie 3 à 8 semaines après la délétion du gène; tous les différents types cellulaires matures sont progressivement épuisés ce qui entraîne la mort des animaux. Néanmoins, outre sa capacité à induire la prolifération des cellules transitoires de la molle osseuse, nous avons inopinément découvert un nouveau rôle pour c-Myc dans le contrôle de la différenciation des cellules souches hématopoiétiques (HSC). Les HSC déficientes pour c-Myc prolifèrent normalement in vivo mais leur différenciation en progéniteurs plus engagés dans une voie de différenciation est bloquée. Ces cellules surexpriment certaines molécules d'adhésion ce qui empêcherait les HSC d'être relachées du stroma spécialisé, ou niche, auquel elles sont étroitement associées. D'autre part, nous avons utilisé le foie comme système modèle pour étudier le rôle de c-Myc dans la prolifération et dans la croissance cellulaire, c'est à dire l'augmentation de taille des cellules. Nos résultats ont révélé que c-Myc ne joue pas de rôle dans le métabolisme cellulaire qui suit une période de jeûne. L'augmentation de la taille cellulaire des hépatocytes déficients pour c-Myc suite au traitement avec l'agent xénobiotique TCPOBOP est identique à celle observée pour les cellules de contrôle. Le taux de prolifération des hépatocytes mutants est par contre réduit, indiquant qu'une voie de différenciation indépendante de c-Myc existe dans les cellules parenchymales. Néanmoins, après hépatectomie partielle, où deux-tiers du foie sont éliminés chirurgicalement, les foies mutants sont sévèrement limités dans leur capacité de régénération par rapport aux foies de contrôle, montrant ainsi que c-Myc est essentiel pour la régénération hépatique.

LDLs stimulate p38 MAPKs and wound healing through SR-BI independently of Ras and PI3 kinase.

Intracellular signals elicited by LDLs are likely to play a role in the pathogenesis associated with increased LDL blood levels. We have previously determined that LDL stimulation of human skin fibroblasts, used as a model system for adventitial fibroblasts, activates p38 mitogen-activated protein kinases (MAPKs), followed by IL-8 production and increased wound-healing capacity of the cells. The proximal events triggering these responses had not been characterized, however. Here we show that MAPK kinases MKK3 and MKK6, but not MKK4, are the upstream kinases responsible for the activation of the p38 MAPKs and stimulation of wound closure in response to LDLs. Phosphoinositide 3 kinases (PI3Ks) and Ras have been suggested to participate in lipoprotein-induced MAPK activation. However, specific PI3K inhibitors or expression of a dominant-negative form of Ras failed to blunt LDL-induced p38 MAPK activation. The classical LDL receptor does not participate in LDL signaling, but the contribution of other candidate lipoprotein receptors has not been investigated. Using cells derived from scavenger receptor class B type I (SR-BI) knockout mice or the BLT-1 SR-BI inhibitor, we now show that this receptor is required for LDLs to stimulate p38 MAPKs and to promote wound healing. Identification of MKK3/6 and SR-BI as cellular relays in LDL-mediated p38 activation further defines the signaling events that could participate in LDL-mediated pathophysiological responses.

CD1d-restricted NK T cells are dispensable for specific antibody responses and protective immunity against liver stage malaria infection in mice.

Immunization with a single dose of irradiated sporozoites is sufficient to induce protection against malaria in wild-type mice. Although this protection is classically attributed to conventional CD4+ and CD8+ T cells, several recent reports have suggested an important role for CD1-restricted NK T cells in immunity to malaria. In this study, we directly compared the ability of C57BL/6 wild-type and CD1-deficient mice to mount a protective immune response against Plasmodium berghei sporozoites. Our data indicate that CD1-restricted NK T cells are not required for protection in this model system. Moreover, specific IgG antibody responses to the P. berghei circumsporozoite repeat sequence were also unaffected by CD1 deficiency. Collectively, our data demonstrate that CD1-restricted NK T cells are dispensable for protective immunity to liver stage P. berghei infection.

Using parthenogenetic lineages to identify advantages of sex

The overwhelming predominance of sexual reproduction in nature is surprising given that sex is expected to confer profound costs in terms of production of males and the breakup of beneficial allele combinations. Recognition of these theoretical costs was the inspiration for a large body of empirical research-typically focused on comparing sexual and asexual organisms, lineages, or genomes-dedicated to identifying the advantages and maintenance of sex in natural populations. Despite these efforts, why sex is so common remains unclear. Here, we argue that we can generate general insights into the advantages of sex by taking advantage of parthenogenetic taxa that differ in such characteristics as meiotic versus mitotic offspring production, ploidy level, and single versus multiple and hybrid versus non-hybrid origin. We begin by evaluating benefits that sex can confer via its effects on genetic linkage, diversity, and heterozygosity and outline how the three classes of benefits make different predictions for which type of parthenogenetic lineage would be favored over others. Next, we describe the type of parthenogenetic model system (if any) suitable for testing whether the hypothesized benefit might contribute to the maintenance of sex in natural populations, and suggest groups of organisms that fit the specifications. We conclude by discussing how empirical estimates of characteristics such as time since derivation and number of independent origins of asexual lineages from sexual ancestors, ploidy levels, and patterns of molecular evolution from representatives of these groups can be used to better understand which mechanisms maintain sex in natural populations.

Dopamine reverses reward insensitivity in apathy following globus pallidus lesions.

Apathy is a complex, behavioural disorder associated with reduced spontaneous initiation of actions. Although present in mild forms in some healthy people, it is a pathological state in conditions such as Alzheimer's and Parkinson's disease where it can have profoundly devastating effects. Understanding the mechanisms underlying apathy is therefore of urgent concern but this has proven difficult because widespread brain changes in neurodegenerative diseases make interpretation difficult and there is no good animal model. Here we present a very rare case with profound apathy following bilateral, focal lesions of the basal ganglia, with globus pallidus regions that connect with orbitofrontal (OFC) and ventromedial prefrontal cortex (VMPFC) particularly affected. Using two measures of oculomotor decision-making we show that apathy in this individual was associated with reward insensitivity. However, reward sensitivity could be established partially with levodopa and more effectively with a dopamine receptor agonist. Concomitantly, there was an improvement in the patient's clinical state, with reduced apathy, greater motivation and increased social interactions. These findings provide a model system to study a key neuropsychiatric disorder. They demonstrate that reward insensitivity associated with basal ganglia dysfunction might be an important component of apathy that can be reversed by dopaminergic modulation.

Tissue specificity in DNA repair: lessons from trinucleotide repeat instability.

DNA must constantly be repaired to maintain genome stability. Although it is clear that DNA repair reactions depend on cell type and developmental stage, we know surprisingly little about the mechanisms that underlie this tissue specificity. This is due, in part, to the lack of adequate study systems. This review discusses recent progress toward understanding the mechanism leading to varying rates of instability at expanded trinucleotide repeats (TNRs) in different tissues. Although they are not DNA lesions, TNRs are hotspots for genome instability because normal DNA repair activities cause changes in repeat length. The rates of expansions and contractions are readily detectable and depend on cell identity, making TNR instability a particularly convenient model system. A better understanding of this type of genome instability will provide a foundation for studying tissue-specific DNA repair more generally, which has implications in cancer and other diseases caused by mutations in the caretakers of the genome.

Distributed all-atom simulations of intrinsically unstructured proteins

The Computational Biophysics Group at the Universitat Pompeu Fabra (GRIB-UPF) hosts two unique computational resources dedicated to the execution of large scale molecular dynamics (MD) simulations: (a) the ACMD molecular-dynamics software, used on standard personal computers with graphical processing units (GPUs); and (b) the GPUGRID. net computing network, supported by users distributed worldwide that volunteer GPUs for biomedical research. We leveraged these resources and developed studies, protocols and open-source software to elucidate energetics and pathways of a number of biomolecular systems, with a special focus on flexible proteins with many degrees of freedom. First, we characterized ion permeation through the bactericidal model protein Gramicidin A conducting one of the largest studies to date with the steered MD biasing methodology. Next, we addressed an open problem in structural biology, the determination of drug-protein association kinetics; we reconstructed the binding free energy, association, and dissaciociation rates of a drug like model system through a spatial decomposition and a Makov-chain analysis. The work was published in the Proceedings of the National Academy of Sciences and become one of the few landmark papers elucidating a ligand-binding pathway. Furthermore, we investigated the unstructured Kinase Inducible Domain (KID), a 28-peptide central to signalling and transcriptional response; the kinetics of this challenging system was modelled with a Markovian approach in collaboration with Frank Noe’s group at the Freie University of Berlin. The impact of the funding includes three peer-reviewed publication on high-impact journals; three more papers under review; four MD analysis components, released as open-source software; MD protocols; didactic material, and code for the hosting group.