In vitro digestibility of globulins from sapucaia (Lecythis pisonis Camb.) nuts by mammalian digestive proteinases

Sapucaia (Lecythis pisonis Camb.) raw nuts collected from Brazil were analyzed to determine the proximate composition, amino acid profile of protein fractions, in vitro protein digestibility and antinutritional factors in order to evaluate their potential as a protein alimentary complement. The nuts contained adequate amounts of essential amino acids, fatty acids and minerals. In the present study, no hemagglutinating or inhibitory activities were observed in any of the samples investigated, indicating low or non-detectable levels of proteinase inhibitors or lectins in the samples. In vitro digestibility of in natura and heated nut globulins by mammalian digestive proteinases was carried out using trypsin + chymotrypsin + peptidase, with resulting mean values of approximately 70.30 and 71.35%, respectively. Taken together, the results suggest that sapucaia nuts may provide a new source of protein to use as a potential nutritional agent.

Contrôle de l'expression de la protéine PHEX et rôle de PHEX et FGF23 dans la minéralisation par les cellules MC3T3

PHEX est une protéine importante dans le processus de minéralisation osseuse. Des mutations ou la délétion d’une partie de ce gène causent l’hypophosphatémie liée au chromosome X (XLH). Cette maladie est caractérisée par une hypophosphatémie, accompagnée de défauts de minéralisation, de rachitisme et de lésions ostéomalaciques. Avec l’hypophosphatémie, les taux circulants de vitamine D devraient être augmentés, ce qui n’est pas le cas d’où une régulation anormale de la production de vitamine D a lieu. Cependant, malgré le fait que cette protéine soit une peptidase, aucun substrat physiologique n’a encore été répertorié pour PHEX. PHEX est une protéine membranaire de type II de la famille M13 des métalloendopeptidases à zinc possédant un court domaine N-terminal cytosolique, un segment transmembrannaire d’environ 20 acides aminés et une large portion C-terminale extracellulaire où se trouve le site actif de l’enzyme. PHEX est exprimée de façon majoritaire dans les os et dans les dents et elle apparaît à l’initiation de la minéralisation. Les patients souffrant de XLH et la souris Hyp, qui est un modèle animal de la maladie humaine, montrent des quantités importantes de la protéine FGF23. De plus, FGF23 est impliqué dans une autre maladie reliée au métabolisme du phosphate, l’hypophosphatémie rachitique autosomale dominante (ADHR) où des mutations de FGF23 causent sensiblement les mêmes symptômes que XLH. FGF23 est produit principalement par les ostéoblastes et les ostéocytes. FGF23 cause une hypophosphatémie par la diminution de l’expression du cotransporteur NaPi de type II, responsable de la réabsorption du phosphate rénal. L’hypothèse proposée dans la littérature serait que PHEX activerait ou inactiverait des peptides importants pour la minéralisation osseuse. Plus spécifiquement, l’activation ou l’inactivation de ces peptides aurait pour rôle de réguler les quantités de FGF23. Selon l’hypothèse mentionnée précédemment, la régulation de PHEX pourrait donc avoir un effet sur la minéralisation. Une quantité croissante de données sur la régulation de PHEX sont maintenant disponibles. Par exemple, la vitamine D diminue l’expression de PHEX tandis que les glucocorticoïdes et l’hormone de croissance augmentent son expression. Dans une première étude, nous avons voulu déterminer si un peptide relié à la minéralisation osseuse, le PTHrP1-34, pouvait réguler l’expression de PHEX. Nous avons déterminé que le PTHrP1-34 peut réguler de façon négative l’expression de PHEX dans les cellules UMR-106, une lignée cellulaire ostéoblastique. Cette régulation passe par la voie de l’AMPc/protéine kinase A. De plus, cette diminution d’expression est également observée au jour 7 dans des cultures primaires d’ostéoblastes de rat en minéralisation. Par la suite, nous avons étudié un mutant de PHEX, le mutant E4Q retrouvé chez un patient souffrant de XLH, où la mutation se retrouve dans le domaine cytosolique de PHEX. Cette mutation n’interfère pas avec le site catalytique de l’enzyme puisque ce mutant de PHEX peut tout aussi bien cliver un substrat synthétique que la protéine sauvage. Il a été déterminé que cette mutation annule un motif di-acide. Nous avons démontré que ce motif di-acide est responsable de la liaison de PHEX à COPII, responsable de la formation de vésicules de sécrétion. De plus, il semblerait que ce motif soit important, probablement par son interaction avec COPII, à l’incorporation de PHEX dans des vésicules de calcification, lesdites vésicules étant importantes dans le processus de minéralisation. Finalement, des essais de compétitions ont démontré que la minéralisation pouvait être perturbée lorsque l’on surexprimait la queue cytosolique sauvage de PHEX, contrairement à la queue mutée. Ceci suggère possiblement que l’interaction avec COPII menant à l’incorporation de PHEX dans les vésicules de calcification ou d’autres protéines comprenant de tels motifs pourrait être importante pour la minéralisation. Finalement, la dernière étude porte sur la protéine FGF23. Nous avons démontré, par la surexpression de FGF23 dans la lignée MC3T3 d’ostéoblastes de souris, que cette surexpression a un effet sur la sénescence de ces cellules. En effet, des essais de sénescence ont montré l’augmentation de celle-ci lorsque FGF23 est surexprimé. Par contre, la prolifération n’est pas altérée. De plus, il semblerait que la différenciation soit plus rapide, tel qu’observé par une minéralisation survenant plus tôt, mais n’étant pas plus importante. Bref, la surexpression de FGF23 semblerait faire en sorte que les ostéoblastes se différencient plus rapidement et passent donc à un état de sénescence prématuré comparativement aux cellules sauvages. Ceci est en accord avec la littérature où KLOTHO, un cofacteur de FGF23 permettant sa liaison avec une plus grande affinité sur son récepteur, lorsqu’inactivé démontre un phénotype similaire au vieillissement incluant un phénotype de sénescence.

Les effets de la similarité physique dans l’observation d’actions : études comportementales et neurophysiologiques

Il a été suggéré que la similarité physique entre un observateur et une action observée facilite la perception et la compréhension d’action. Par exemple, l’observation d’un acteur exécutant des gestes de la main ayant une signification culturelle est associée à une augmentation de l’excitabilité corticospinale lorsque les deux individus sont de la même ethnicité (Molnar-Szakacs et al., 2007). La perception tactile serait également facilitée lorsqu’un individu regarde un modèle de sa propre race être touché (Serino et al., 2009), tandis que des études en imagerie cérébrale fonctionnelle suggèrent la présence d’activations plus importantes dans le cortex cingulaire lorsqu’un sujet observe une personne de son propre groupe racial ressentir de la douleur (Xu et al., 2009). Certaines études ont lié ces résultats à un mécanisme de résonance motrice, possiblement associé au système des neurones miroirs (SNM), suggérant que la représentation de l’action dans les aires motrices est facilitée par la similarité physique. Toutefois, la grande majorité des stimuli utilisés dans ces études comportent une composante émotionnelle ou culturelle pouvant masquer les effets purement moteurs liant la similarité physique à un mécanisme de résonance motrice. De plus, la sélectivité de l’activation du SNM face à des stimuli biologiques a récemment été remise en question en raison de biais méthodologiques. La présente thèse présente trois études visant à évaluer l’effet de la similarité physique et des caractéristiques biologiques d’un mouvement sur la résonance motrice à l’aide de mesures comportementales et neurophysiologiques. À cet effet, l’imitation automatique de mouvements de la main, l’excitabilité corticospinale et la désynchronisation du rythme électroencéphalographique mu ont servi de marqueurs de l’activité du SNM. Dans les trois études présentées, la couleur de la peau et l’aspect biologique du stimulus observé ou imité ont été systématiquement manipulés. Nos données confirment la sélectivité du SNM pour le mouvement biologique en démontrant une réponse imitative plus rapide et une désynchronisation du rythme mu plus prononcée lors de la présentation de stimuli biologiques comparativement à des stimuli non-biologiques répliquant les aspects physiques du mouvement humain. Les deux mêmes mesures montrent une réponse neurophysiologique et comportementale équivalente lorsque l’action est exécutée par un agent de couleur similaire ou dissimilaire au participant. Nous rapportons aussi un effet surprenant de la similarité physique sur l’excitabilité corticospinale, où l’observation d’une action exécutée par un agent de couleur différente est associée à une activation plus grande du cortex moteur primaire droit de participants de sexe féminin. Prises dans leur ensemble, ces données suggèrent que la similarité physique avec une action observée ne module généralement pas l’activité du SNM au niveau des aires sensorimotrices en l’absence de composantes culturelles et émotionnelles. De plus, les résultats présentés suggèrent que le SNM est sélectif au mouvement biologique plutôt qu’à l’aspect kinématique du mouvement.

Caractérisation de nouveaux mécanismes transcriptionnels impliqués dans la biologie osseuse

Le développement et l'homéostasie des os requièrent l'orchestration spatio-temporelle d'un grand nombre de signaux moléculaires. Ces signaux entraînent l'activation ou l'inhibition de différents facteurs de transcription, lesquels sont en mesure de contrôler la prolifération et la différenciation des ostéoblastes et des chondrocytes. L'intégrité de ces différents mécanismes se doit d'être maintenu tout au long de la vie. Ainsi, une anomalie dans l'un de ces mécanismes conduit à l'apparition de pathologies osseuses et métaboliques telles qu’une hypophosphatémie, l'ostéoporose ou l'ostéoarthrite (OA). Afin d'en apprendre davantage sur la biologie osseuse, le projet décrit dans cette thèse a pour objectif de caractériser de nouveaux mécanismes de régulation transcriptionnelle pour deux gènes importants dans le développement des os et le maintien de leur intégrité. Il s’agit du Paired-like Homeodomain Transcription Factor 1 (PITX1) et du Phosphate-regulating gene with homology to endopeptidase on the X chromosome (PHEX). Le premier mécanisme présenté dans cette thèse concerne la régulation transcriptionnelle du gène PITX1, un facteur de transcription à homéodomaine nécessaire, notamment, au développement des os des membres inférieurs et au maintien de l'intégrité du cartilage articulaire chez l'adulte. Ainsi, dans les chondrocytes articulaires, on note que l'expression de PITX1 est assurée par le recrutement du facteur de transcription E2F1 à deux éléments de réponse présents dans la région proximale du promoteur de PITX1. Aussi, dans les chondrocytes articulaires de patients souffrant d'OA, dans lesquels l'expression de PITX1 est fortement diminuée, un mécanisme de répression transcriptionnelle, lequel implique la protéine multifonctionnelle Prohibitin (PHB1), semble être activé. En effet, dans ces chondroytes, on note une forte accumulation nucléaire de PHB1 comparativement aux chondrocytes articulaires de sujets sains. Le second mécanisme présenté dans cette thèse concerne la répression transcriptionnelle de PHEX, la peptidase mutée dans le syndrome d'hypophosphatémie lié au chromosome X (X-Linked Hypophosphatemia, XLH), lequel se caractérise par une hypophosphatémie et une ostéomalacie. Le traitement d'ostéoblastes à la Parathyroid hormone-related protein (PTHrP) permet d’observer la répression de PHEX. Afin de caractériser le mécanisme responsable de cette répression, des expériences de gènes rapporteurs ont révélé la présence de deux éléments de réponse pour le répresseur transcriptionnel E4BP4 dans le promoteur de PHEX. La suppression de l'expression d'E4BP4 par l'utilisation d'ARN d'interférence a permis de valider que ce facteur de transcription est responsable de la répression de PHEX suite au traitement d'ostéoblastes à la PTHrP. En somme ces nouveaux mécanismes de régulation transcriptionnelle permettent de mieux comprendre la régulation de l'expression de PITX1 et de PHEX. Aussi, cette nouvelle implication de PHB1 dans la pathogenèse de l'OA offre de nouvelles possibilités de traitement et pourrait servir pour le diagnostic précoce de cette pathologie. Enfin, la caractérisation d'E4BP4 en tant que médiateur pour la répression de PHEX par la PTHrP suggère que ce répresseur transcriptionnel pourrait être impliqué dans le contrôle de la minéralisation des os et des niveaux de phosphate sanguin.

Fonction de la protéine Ceroid lipofuscinosis neuronal 5 (CLN5) dans le tri et le recyclage à l’endosome

Le tri et le transport efficace des hydrolases acides vers le lysosome jouent un rôle critique pour la fonction des cellules. Plus de 50 maladies humaines sont dues à des mutations des enzymes lysosomales, des protéines régulant des processus-clés du transport vers le lysosome ou des enzymes effectuant des modifications posttraductionnelles importantes pour la fonction du lysosome. L’objectif de cette thèse est d’identifier des protéines et des mécanismes permettant à la cellule de réguler le transport des enzymes vers le lysosome. Nous avons formulé l’hypothèse que des protéines mutées dans des maladies lysosomales et dont les fonctions étaient inconnues pouvaient jouer un rôle dans le transport vers le lysosome. Les céroïdes-lipofuscinoses neuronales forment une famille de maladies lysosomales rares mais sont aussi les maladies neurodégénératives infantiles les plus fréquentes. Plusieurs gènes impliqués dans les NCL encodent des protéines aux fonctions inconnues. Les travaux présentés dans cette thèse ont identifié la protéine « ceroid lipofuscinosis neuronal-5 » (CLN5) qui est localisée à l’endosome et au lysosome comme élément nécessaire au recrutement et à l’activation de rab7. Rab7 est une protéine Rab-clé qui contrôle le trafic à l’endosome tardif. Cette petite GTPase est impliquée dans le recrutement de retromer, un complexe protéique qui régule le trafic de l’endosome vers l’appareil de Golgi des récepteurs de tri lysosomal comme sortilin et le récepteur du mannose-6-phosphate. Dans les cellules où CLN5 est déplété, les récepteurs de tri lysosomal sont moins recyclés plus rapidement dégradés. En utilisant des expériences de photomarquage nous avons aussi pu démontrer que Rab7 est moins activées en l’absence de CLN5. Pour exécuter leur fonction les protéines rabs doivent être recrutée à la membrane et activées par l’échange d’une molécule de GDP pour une molécule de GTP. Le recrutement des Rabs à la membrane nécessite une modification posttraductionnelle lipidique pour être facilités. En utilisant un modèle de levures nous avons démontré que l’homologue de Rab7, Ypt7 est palmitoylée. Nous avons aussi démontré que la palmitoyltransférase Swif1 est nécessaire au recrutement de Ypt7 à la membrane. Nous avons aussi remarqué que les sous- unités de retromer chez la levure sont moins recrutées lorsque les palmitoyltransférases sont déplétées. Dans les cellules de mammifères nous avons démontré que Rab7 est également palmitoylé et que cette palmitoylation est possiblement effectuée par les palmitoyltransférases DHHC1 et DHHC8. La palmitoylation de Rab7 a lieu sur les cystéines en C-terminal qui sont nécessaires au recrutement membranaire et qui auparavant étaient uniquement décrites comme prénylées. En utilisant la méthode de « click chemistry » nous avons découvert que lorsque la prénylation de Rab7 est bloquée le niveau de palmitoylation augmente. Pour caractériser l’interaction entre CLN5 et Rab7 nous avons performé des expériences afin d’établir définitivement la topologie de cette protéine. Nous avons ainsi démontré que CLN5 est une protéine hautement glycosylée qui est initialement traduite en protéine transmembranaire et subséquemment clivée par un membre de la famille des peptidase de peptide signal (SPP). Cette protéine soluble peut alors possiblement interagir avec CLN3 qui est aussi palmitoylée pour recruter et activer Rab7. Nos études suggèrent pour la première fois que CLN5 pourrait être un recruteur et un activateur de Rab7 qui agirait avec la protéine CLN3 pour séquestrer Rab7 avec les autres récepteurs palmitoylés et permettre leur recyclage vers l’appareil de Golgi.

Investigation on key molecular targets responsible for antidiabetic properties of Symplocos cochinchinensis (Lour.) S. Moore

Diabetes mellitus is a heterogeneous metabolic disorder characterized by hyperglycemia with disturbances in carbohydrate, protein and lipid metabolism resulting from defects in insulin secretion, insulin action or both. Currently there are 387 million people with diabetes worldwide and is expected to affect 592 million people by 2035. Insulin resistance in peripheral tissues and pancreatic beta cell dysfunction are the major challenges in the pathophysiology of diabetes. Diabetic secondary complications (like liver cirrhosis, retinopathy, microvascular and macrovascular complications) arise from persistent hyperglycemia and dyslipidemia can be disabling or even life threatening. Current medications are effective for control and management of hyperglycemia but undesirable effects, inefficiency against secondary complications and high cost are still serious issues in the present prognosis of this disorder. Hence the search for more effective and safer therapeutic agents of natural origin has been found to be highly demanding and attract attention in the present drug discovery research. The data available from Ayurveda on various medicinal plants for treatment of diabetes can efficiently yield potential new lead as antidiabetic agents. For wider acceptability and popularity of herbal remedies available in Ayurveda scientific validation by the elucidation of mechanism of action is very much essential. Modern biological techniques are available now to elucidate the biochemical basis of the effectiveness of these medicinal plants. Keeping this idea the research programme under this thesis has been planned to evaluate the molecular mechanism responsible for the antidiabetic property of Symplocos cochinchinensis, the main ingredient of Nishakathakadi Kashayam, a wellknown Ayurvedic antidiabetic preparation. A general introduction of diabetes, its pathophysiology, secondary complications and current treatment options, innovative solutions based on phytomedicine etc has been described in Chapter 1. The effect of Symplocos cochinchinensis (SC), on various in vitro biochemical targets relevant to diabetes is depicted in Chapter 2 including the preparation of plant extract. Since diabetes is a multifactorial disease, ethanolic extract of the bark of SC (SCE) and its fractions (hexane, dichloromethane, ethyl acetate and 90 % ethanol) were evaluated by in vitro methods against multiple targets such as control of postprandial hyperglycemia, insulin resistance, oxidative stress, pancreatic beta cell proliferation, inhibition of protein glycation, protein tyrosine phosphatase-1B (PTP-1B) and dipeptidyl peptidase-IV (DPPxxi IV). Among the extracts, SCE exhibited comparatively better activity like alpha glucosidase inhibition, insulin dependent glucose uptake (3 fold increase) in L6 myotubes, pancreatic beta cell regeneration in RIN-m5F and reduced triglyceride accumulation in 3T3-L1 cells, protection from hyperglycemia induced generation of reactive oxygen species in HepG2 cells with moderate antiglycation and PTP-1B inhibition. Chemical characterization by HPLC revealed the superiority of SCE over other extracts due to presence of bioactives (beta-sitosterol, phloretin 2’glucoside, oleanolic acid) in addition to minerals like magnesium, calcium, potassium, sodium, zinc and manganese. So SCE has been subjected to oral sucrose tolerance test (OGTT) to evaluate its antihyperglycemic property in mild diabetic and diabetic animal models. SCE showed significant antihyperglycemic activity in in vivo diabetic models. Chapter 3 highlights the beneficial effects of hydroethanol extract of Symplocos cochinchinensis (SCE) against hyperglycemia associated secondary complications in streptozotocin (60 mg/kg body weight) induced diabetic rat model. Proper sanction had been obtained for all the animal experiments from CSIR-CDRI institutional animal ethics committee. The experimental groups consist of normal control (NC), N + SCE 500 mg/kg bwd, diabetic control (DC), D + metformin 100 mg/kg bwd, D + SCE 250 and D + SCE 500. SCEs and metformin were administered daily for 21 days and sacrificed on day 22. Oral glucose tolerance test, plasma insulin, % HbA1c, urea, creatinine, aspartate aminotransferase (AST), alanine aminotransferase (ALT), albumin, total protein etc. were analysed. Aldose reductase (AR) activity in the eye lens was also checked. On day 21, DC rats showed significantly abnormal glucose response, HOMA-IR, % HbA1c, decreased activity of antioxidant enzymes and GSH, elevated AR activity, hepatic and renal oxidative stress markers compared to NC. DC rats also exhibited increased level of plasma urea and creatinine. Treatment with SCE protected from the deleterious alterations of biochemical parameters in a dose dependent manner including histopathological alterations in pancreas. SCE 500 exhibited significant glucose lowering effect and decreased HOMA-IR, % HbA1c, lens AR activity, and hepatic, renal oxidative stress and function markers compared to DC group. Considerable amount of liver and muscle glycogen was replenished by SCE treatment in diabetic animals. Although metformin showed better effect, the activity of SCE was very much comparable with this drug. xxii The possible molecular mechanism behind the protective property of S. cochinchinensis against the insulin resistance in peripheral tissue as well as dyslipidemia in in vivo high fructose saturated fat diet model is described in Chapter 4. Initially animal were fed a high fructose saturated fat (HFS) diet for a period of 8 weeks to develop insulin resistance and dyslipidemia. The normal diet control (ND), ND + SCE 500 mg/kg bwd, high fructose saturated fat diet control (HFS), HFS + metformin 100 mg/kg bwd, HFS + SCE 250 and HFS + SCE 500 were the experimental groups. SCEs and metformin were administered daily for the next 3 weeks and sacrificed at the end of 11th week. At the end of week 11, HFS rats showed significantly abnormal glucose and insulin tolerance, HOMA-IR, % HbA1c, adiponectin, lipid profile, liver glycolytic and gluconeogenic enzyme activities, liver and muscle triglyceride accumulation compared to ND. HFS rats also exhibited increased level of plasma inflammatory cytokines, upregulated mRNA level of gluconeogenic and lipogenic genes in liver. HFS exhibited the increased expression of GLUT-2 in liver and decreased expression of GLUT-4 in muscle and adipose. SCE treatment also preserved the architecture of pancreas, liver, and kidney tissues. Treatment with SCE reversed the alterations of biochemical parameters, improved insulin sensitivity by modifying gene expression in liver, muscle and adipose tissues. Overall results suggest that SC mediates the antidiabetic activity mainly via alpha glucosidase inhibition, improved insulin sensitivity, with antiglycation and antioxidant activities.

Functional studies of the deubiquitinating enzymes USP19, USP4 and UCH-L1

El marcaje de proteínas con ubiquitina, conocido como ubiquitinación, cumple diferentes funciones que incluyen la regulación de varios procesos celulares, tales como: la degradación de proteínas por medio del proteosoma, la reparación del ADN, la señalización mediada por receptores de membrana, y la endocitosis, entre otras (1). Las moléculas de ubiquitina pueden ser removidas de sus sustratos gracias a la acción de un gran grupo de proteasas, llamadas enzimas deubiquitinizantes (DUBs) (2). Las DUBs son esenciales para la manutención de la homeostasis de la ubiquitina y para la regulación del estado de ubiquitinación de diferentes sustratos. El gran número y la diversidad de DUBs descritas refleja tanto su especificidad como su utilización para regular un amplio espectro de sustratos y vías celulares. Aunque muchas DUBs han sido estudiadas a profundidad, actualmente se desconocen los sustratos y las funciones biológicas de la mayoría de ellas. En este trabajo se investigaron las funciones de las DUBs: USP19, USP4 y UCH-L1. Utilizando varias técnicas de biología molecular y celular se encontró que: i) USP19 es regulada por las ubiquitin ligasas SIAH1 y SIAH2 ii) USP19 es importante para regular HIF-1α, un factor de transcripción clave en la respuesta celular a hipoxia, iii) USP4 interactúa con el proteosoma, iv) La quimera mCherry-UCH-L1 reproduce parcialmente los fenotipos que nuestro grupo ha descrito previamente al usar otros constructos de la misma enzima, y v) UCH-L1 promueve la internalización de la bacteria Yersinia pseudotuberculosis.

Fluvial biofilms: a pertinent tool to assess β-blockers toxicity

Among increasingly used pharmaceutical products, β-blockers have been commonly reported at low concentrations in rivers and littoral waters of Europe and North America. Little is known about the toxicity of these chemicals in freshwater ecosystems while their presence may lead to chronic pollution. Hence, in this study the acute toxicity of 3 β-blockers: metoprolol, propranolol and atenolol on fluvial biofilms was assessed by using several biomarkers. Some were indicative of potential alterations in biofilm algae (photosynthetic efficiency), and others in biofilm bacteria (peptidase activity, bacterial mortality). Propranolol was the most toxic β-blocker, mostly affecting the algal photosynthetic process. The exposure to 531 μg/L of propranolol caused 85% of inhibition of photosynthesis after 24 h. Metoprolol was particularly toxic for bacteria. Though estimated No-Effect Concentrations (NEC) were similar to environmental concentrations, higher concentrations of the toxic (503 μg/L metoprolol) caused an increase of 50% in bacterial mortality. Atenolol was the least toxic of the three tested β-blockers. Effects superior to 50% were only observed at very high concentration (707 mg/L). Higher toxicity of metoprolol and propranolol might be due to better absorption within biofilms of these two chemicals. Since β-blockers are mainly found in mixtures in rivers, their differential toxicity could have potential relevant consequences on the interactions between algae and bacteria within river biofilms

Viewing the body modulates tactile receptive fields

Tactile discrimination performance depends on the receptive field (RF) size of somatosensory cortical (SI) neurons. Psychophysical masking effects can reveal the RF of an idealized "virtual" somatosensory neuron. Previous studies show that top-down factors strongly affect tactile discrimination performance. Here, we show that non-informative vision of the touched body part influences tactile discrimination by modulating tactile RFs. Ten subjects performed spatial discrimination between touch locations on the forearm. Performance was improved when subjects saw their forearm compared to viewing a neutral object in the same location. The extent of visual information was relevant, since restricted view of the forearm did not have this enhancing effect. Vibrotactile maskers were placed symmetrically on either side of the tactile target locations, at two different distances. Overall, masking significantly impaired discrimination performance, but the spatial gradient of masking depended on what subjects viewed. Viewing the body reduced the effect of distant maskers, but enhanced the effect of close maskers, as compared to viewing a neutral object. We propose that viewing the body improves functional touch by sharpening tactile RFs in an early somatosensory map. Top-down modulation of lateral inhibition could underlie these effects.

EfeO-cupredoxins: major new members of the cupredoxin superfamily with roles in bacterial iron transport

The EfeUOB system of Escherichia coli is a tripartite, low pH, ferrous iron transporter. It resembles the high-affinity iron transporter (Ftr1p-Fet3p) of yeast in that EfeU is homologous to Ftr1p, an integral-membrane iron-permease. However, EfeUOB lacks an equivalent of the Fet3p component—the multicopper oxidase with three cupredoxin-like domains. EfeO and EfeB are periplasmic but their precise roles are unclear. EfeO consists primarily of a C-terminal peptidase-M75 domain with a conserved ‘HxxE’ motif potentially involved in metal binding. The smaller N-terminal domain (EfeO-N) is predicted to be cupredoxin (Cup) like, suggesting a previously unrecognised similarity between EfeO and Fet3p. Our structural modelling of the E. coli EfeO Cup domain identifies two potential metal-binding sites. Site I is predicted to bind Cu2+ using three conserved residues (C41 and 103, and E66) and M101. Of these, only one (C103) is conserved in classical cupredoxins where it also acts as a Cu ligand. Site II most probably binds Fe3+ and consists of four well conserved surface Glu residues. Phylogenetic analysis indicates that the EfeO-Cup domains form a novel Cup family, designated the ‘EfeO-Cup’ family. Structural modelling of two other representative EfeO-Cup domains indicates that different subfamilies employ distinct ligand sets at their proposed metal-binding sites. The ~100 efeO homologues in the bacterial sequence databases are all associated with various iron-transport related genes indicating a common role for EfeO-Cup proteins in iron transport, supporting a new copper-iron connection in biology.

Isolation and characterisation of EfeM, a periplasmic component of the putative EfeUOBM iron transporter of Pseudomonas syringae pv. syringae

The EfeM protein is a component of the putative EfeUOBM iron-transporter of Pseudomonas syringae pathovar syringae and is thought to act as a periplasmic, ferrous-iron binding protein. It contains a signal peptide of 34 amino acid residues and a C-terminal 'Peptidase_M75' domain of 251 residues. The C-terminal domain contains a highly conserved 'HXXE' motif thought to act as part of a divalent cation-binding site. In this work, the gene (efeM or 'Psyr_3370') encoding EfeM was cloned and over-expressed in Escherichia coli, and the mature protein was purified from the periplasm. Mass spectrometry confirmed the identity of the protein (M(W) 27,772Da). Circular dichroism spectroscopy of EfeM indicated a mainly alpha-helical structure, consistent with bioinformatic predictions. Purified EfeM was crystallised by hanging-drop vapor diffusion to give needle-shaped crystals that diffracted to a resolution of 1.6A. This is the first molecular study of a peptidase M75 domain with a presumed iron transport role.

Comparative genomics of Brachyspira pilosicoli strains: genome rearrangements, reductions and correlation of genetic compliment with phenotypic diversity.

Background. The anaerobic spirochaete Brachyspira pilosicoli causes enteric disease in avian, porcine and human hosts, amongst others. To date, the only available genome sequence of B. pilosicoli is that of strain 95/1000, a porcine isolate. In the first intra-species genome comparison within the Brachyspira genus, we report the whole genome sequence of B. pilosicoli B2904, an avian isolate, the incomplete genome sequence of B. pilosicoli WesB, a human isolate, and the comparisons with B. pilosicoli 95/1000. We also draw on incomplete genome sequences from three other Brachyspira species. Finally we report the first application of the high-throughput Biolog phenotype screening tool on the B. pilosicoli strains for detailed comparisons between genotype and phenotype. Results. Feature and sequence genome comparisons revealed a high degree of similarity between the three B. pilosicoli strains, although the genomes of B2904 and WesB were larger than that of 95/1000 (~2,765, 2.890 and 2.596 Mb, respectively). Genome rearrangements were observed which correlated largely with the positions of mobile genetic elements. Through comparison of the B2904 and WesB genomes with the 95/1000 genome, features that we propose are non-essential due to their absence from 95/1000 include a peptidase, glycine reductase complex components and transposases. Novel bacteriophages were detected in the newly-sequenced genomes, which appeared to have involvement in intra- and inter-species horizontal gene transfer. Phenotypic differences predicted from genome analysis, such as the lack of genes for glucuronate catabolism in 95/1000, were confirmed by phenotyping. Conclusions. The availability of multiple B. pilosicoli genome sequences has allowed us to demonstrate the substantial genomic variation that exists between these strains, and provides an insight into genetic events that are shaping the species. In addition, phenotype screening allowed determination of how genotypic differences translated to phenotype. Further application of such comparisons will improve understanding of the metabolic capabilities of Brachyspira species.

Roles of proteolysis in regulation of G protein-coupled receptor function

The enzymatic activity of peptidases must be tightly regulated to prevent uncontrolled hydrolysis of peptide bonds, which could have devastating effects in biological systems. Peptidases are often generated as inactive propeptidases, secreted with endogenous inhibitors or they are compartmentalized. Propeptidases become active after proteolytic removal of N-terminal activation peptides by other peptidases. Some peptidases only become active towards substrates only at certain pHs, thus confining activity to specific compartments or conditions. This review discusses the different roles proteolysis plays in regulating G protein-coupled receptors (GPCRs). At the cell-surface, certain GPCRs are regulated by the hydrolytic inactivation of bioactive peptides by membrane-anchored peptidases, which prevents signaling. Conversely, cell-surface peptidases can also generate bioactive peptides that directly activate GPCRs. Alternatively, cell-surface peptidases activated by GPCRs, can generate bioactive peptides to cause transactivation of receptor tyrosine kinases, thereby promoting signaling. Certain peptidases can signals directly to cells, by cleaving GPCR to initiate intracellular signaling cascades. Intracellular peptidases also regulate GPCRs; lysosomal peptidases destroy GPCRs in lysosomes to permanently terminate signaling and mediate downregulation; endosomal peptidases cleave internalized peptide agonists to regulate GPCR recycling, resensitization and signaling; and soluble intracellular peptidases also participate in GPCR function by regulating the ubiquitination state of GPCRs, thereby altering GPCR signaling and fate. Although the use of peptidase inhibitors has already brought success in the treatment of diseases such as hypertension, the discovery of new regulatory mechanisms involving proteolysis that control GPCRs may provide additional targets to modulate dysregulated GPCR signaling in disease.

Identification of critical residues in the active site of porcine membrane-bound aminopeptidase P

The membrane-bound form of mammalian aminopeptidase P (AP-P; EC 3.4. 11.9) is a mono-zinc-containing enzyme that lacks any of the typical metal binding motifs found in other zinc metalloproteases. To identify residues involved in metal binding and catalysis, sequence and structural information was used to align the sequence of porcine membrane-bound AP-P with other members of the peptidase clan MG, including Escherichia coli AP-P and methionyl aminopeptidases. Residues predicted to be critical for activity were mutated and the resultant proteins were expressed in COS-1 cells. Immunoelectrophoretic blot analysis was used to compare the levels of expression of the mutant proteins, and their ability to hydrolyze bradykinin and Gly-Pro-hydroxyPro was assessed. Asp449, Asp460, His523, Glu554, and Glu568 are predicted to serve as metal ion ligands in the active site, and mutagenesis of these residues resulted in fully glycosylated proteins that were catalytically inactive. Mutation of His429 and His532 also resulted in catalytically inactive proteins, and these residues, by analogy with E. coli AP-P, are likely to play a role in shuttling protons during catalysis. These studies indicate that mammalian membrane-bound AP-P has an active-site configuration similar to that of other members of the peptidase clan MG, which is compatible with either a dual metal ion model or a single metal ion in the active site. The latter model is consistent, however, with the known metal stoichiometry of both the membrane-bound and cytosolic forms of AP-P and with a recently proposed model for methionyl aminopeptidase.

Cloning, expression, and characterization of human cytosolic aminopeptidase P: a single manganese(II)-dependent enzyme

The mammalian bradykinin-degrading enzyme aminopeptidase P (AP-P; E. C. 3.4.11.9) is a metal-dependent enzyme and is a member of the peptidase clan MG. AP-P exists as membrane-bound and cytosolic forms, which represent distinct gene products. A partially truncated clone encoding the cytosolic form was obtained from a human pancreatic cDNA library and the 5' region containing the initiating Met was obtained by 5' rapid accumulation of cDNA ends (RACE). The open reading frame encodes a protein of 623 amino acids with a calculated molecular mass of 69,886 Da. The full-length cDNA with a C-terminal hexahistidine tag was expressed in Escherichia coli and COS-1 cells and migrated on SDS-PAGE with a molecular mass of 71 kDa. The expressed cytosolic AP-P hydrolyzed the X-Pro bond of bradykinin and substance P but did not hydrolyze Gly-Pro-hydroxyPro. Hydrolysis of bradykinin was inhibited by 1,10-phenanthroline and by the specific inhibitor of the membrane-bound form of mammalian AP-P, apstatin. Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy of AP-P expressed in E. coli revealed the presence of 1 mol of manganese/mol of protein and insignificant amounts of cobalt, iron, and zinc. The enzymatic activity of AP-P was promoted in the presence of Mn(II), and this activation was increased further by the addition of glutathione. The only other metal ion to cause slight activation of the enzyme was Co(II), with Ca(II), Cu(II), Mg(II), Ni(II), and Zn(II) all being inhibitory. Removal of the metal ion from the protein was achieved by treatment with 1,10-phenanthroline. The metal-free enzyme was reactivated by the addition of Mn(II) and, partially, by Fe(II). Neither Co(II) nor Zn(II) reactivated the metal-free enzyme. On the basis of these data we propose that human cytosolic AP-P is a single metal ion-dependent enzyme and that manganese is most likely the metal ion used in vivo.