CHARACTERISATION OF ARABIDOPSIS THALIANA PERMEABLE CUTICLE MUTANTS SHOWING A STRONG RESISTANCE TO BOTRYTIS CINEREA

La cuticule des plantes, composée de cutine, un polyester lipidique complexe et de cires cuticulaires, couvre l'épiderme de la plupart des parties aériennes des plantes. Elle est constituée d'une barrière hydrophobique primaire qui minimise les pertes en eau et en soluté et protège l'organisme de différents stress environnementaux tels que les rayons UV, la dessiccation et l'infection par des pathogènes. Elle est aussi impliquée dans la délimitation des organes durant le développement. La cutine est un polyester qui, dans la plupart des espèces végétales, est principalement composé d'acides gras ω-hydroxylés composé de 16 à 18 carbones. Cependant, la cutine des feuilles d'Arabidopsis a une composition différente et est principalement constituée d'acides dicarboxyliques à 16-18 carbones. Les cires sont présentes dans le polyester de la cutine ou le recouvrent. Chez Arabidopsis, un nombre de mutants, tel que 1er, bdg, hth, att1, wbc11, et des plantes transgéniques avec différents changement dans la structure de la cuticule dans les feuilles et la tige, ont récemment été décrits et servent d'outils pour étudier la relation entre la structure et la fonction de la cuticule.7 mutants d'Arabidopsis ont été isolés par une méthode de coloration qui permet de détecter une augmentation dans la perméabilité cuticulaire. Ces mutants ont été appelés pec pour permeable cuticle.Pour la première partie de mon projet, j'ai principalement travaillé avec pec9/bre1 (permeable cuticle 9/botrytis resistance 1). PEC9/BRE1 a été identifié comme étant LACS2 (LONG CHAIN ACYL-CoA SYNTHETASE 2). Dans ce mutant, la cuticule n'est pas visible sous microscopie électronique et la quantité en acides gras omega- hydroxylés et en leurs dérivés est fortement réduite. Ces altérations conduisent à une plus grande perméabilité de la cuticule qui est mise en évidence par une plus grande sensibilité à la sécheresse et aux xénobiotiques et une coloration plus rapide par bleu de toluidine. Le mutant Iacs2 démontre aussi une grande capacité de résistance à l'infection du champignon nécrotrophique B. cinerea. Cette résistance est due à l'extrusion sur les feuilles d'un composé antifongique durant l'infection. Ce travail a été publié dans EMBO journal (Bessire et al., 2007, EMBO Journal).Mon second projet était principalement concentré sur pec1, un autre mutant isolé par le premier crible. La caractérisation de pec1 a révélé des phénotypes similaires à ceux de Iacs2, mais à chaque fois dans des proportions moindres : sensibilité accrue à la sécheresse et aux herbicides, plus grande perméabilité au bleu de toluidine et au calcofluor white, altération de la structure cuticulaire et résistance à B. cinerea à travers la même activité antifongique. PEC1 a été identifié comme étant AtPDR4. Ce gène code pour un transporteur ABC de la famille PDR ("Pleiotropic Drugs Resistance") qui sont des transporteurs ayants un large spectre de substrats. Le mutant se différencie de Iacs2, en cela que la composition en acides gras de la cuticule n'est pas autant altérée. C'est principalement le dihydroxypalmitate des fleurs dont la quantité est réduite. L'expression du gène marqué avec une GFP sous le contrôle du promoteur endogène a permis de localiser le transporteur au niveau de la membrane plasmique des cellules de l'épiderme, de manière polaire. En effet, la protéine est principalement dirigée vers l'extérieure de la plante, là où se trouve la cuticule, suggérant une implication d'AtPDR4 dans le transport de composants de la cuticule. Ce travail est actuellement soumis à Plant Cell.Une étude phylogénétique a aussi montré qu'AtPDR4 était très proche d'OsPDR6 du riz. Le mutant du riz a d'ailleurs montré des phénotypes de nanisme et de perméabilité similaire au mutant chez Arabidopsis.AbstractThe cuticle, consisting principally of cutin and cuticular waxes, is a hydrophobic layer of lipidic nature, which covers all aerial parts of plants and protects them from different abiotic and biotic stresses. Recently, the research in this area has given us a better understanding of the structure and the formation of the cuticle. The Arabidopsis mutants permeable cuticle 1 (peel) and botrytis resistance 1 (brel) were identified in two screens to identify permeable cuticles. The screens used the fluorescent dye calcofluor to measure permeability and also resistance to the fungal pathogen Botrytis. These mutants have highly permeable cuticle characteristics such as higher water loss, intake of chemicals through the cuticle, higher resistance to Botrytis cinerea infection, and organ fusion.BRE1 was cloned and found to be LACS2, a gene previously identified which is important in the formation and biosynthetic pathway of the cuticle. In brel, the amount of the major component of cutin in Arabidopsis leaves and stems, dicarboxylic acids, is five times lower than in the wild type. Moreover, the permeability of the cuticle allows the release of antifungal compounds at the leaf surface that inhibits the growth of two necrotrophic fungi: Botrytis cinerea and Sclerotinia sclerotiorum.PEC1 was identified as AtPDR4, a gene that codes for a plasma membrane transporter of the Pleiotropic Drug Resistance family, a sub-family of the ABC- transporters. AtPDR4 is strongly expressed in the epidermis of expanding tissues. In the epidermis it is located in a polar manner on the external plasma membrane, facing the cuticle. Analysis of the monomer composition of the cutin reveals that in this mutant the amount of hydroxy-acids and dihydroxy-palmitate is 2-3 times lower in flowers, in which organ these cutin monomers are the major components. Thus AtPDR4 is thought to function as a putative cutin monomer transporter.

Organisation structurale du noyau et de microtubules de cellules de mammifères observés par cryo-microscopie électronique de sections hydratées

RESUME L'architecture nucléaire ainsi que l'ultrastructure des microtubules ont été abondamment étudiées par des méthodes cytochimiques utilisant des échantillons fixés chimiquement, enrobés dans des résines ou fixés à basse température. Les échantillons fixés à basse température pouvant aussi avoir été substitués, déshydratés et enrobés dans des résines pour la plupart hydrophiles. Ici, nous avons étendu ces études en utilisant la microscopie électronique effectuée sur des sections hydratées (CEMOVIS) permettant d'observer les échantillons dans un état le plus proche de leur état natif. De plus, nous avons effectué de la tomographie électronique sur des sections hydratées (TOVIS) afin d'obtenir une vision tridimensionnelle de : 1) la périphérie du noyau et de la région périchromatinienne et 2) de la lumière des microtubules. Concernant l'architecture nucléaire Nos observations montrent que le nucléole et la chromatine condensée sont facilement visualisés grâce à la texture spécifique qu'ils arborent. Au contraire, la visualisation de domaines nucléaires importants et spécialement ceux qui contiennent des ribonucléoprotéines, est rendue difficile, à cause du faible contraste qui caractérise l'espace interchromatinien. Ceci est essentiellement dû à la quantité d'information présente dans le volume de la section qui semble être superposée, lorsque observée sur des micrographies en deux dimensions. La tomographie nous a permis de mieux visualiser les différentes régions du noyau. Les mottes de chromatine condensée sont décorées à leur périphérie (région périchromatinienne), par nombre de fibrilles et granules. Des tunnels d'espace interchromatinien sont occasionnellement observés en train de traverser des régions de chromatine condensée favorisant l'accès aux pores nucléaires. Enfin, nous avons pu, au niveau d'un pore unique, observer la plupart des structures caractéristiques du complexe de pore nucléaire. Concernant l'ultrastructure des microtubules: Nous avons démontré que la polarité d'un microtubule observé in situ en section transversale, par CEMOVIS, est directement déduite de l'observation de la chiralité de ses protofilaments. Cette chiralité, a été établie précédemment comme étant liée à la morphologie des sous unités de tubuline. La tomographie électronique effectuée sur des sections hydratées, nous a permis d'observer les microtubules dans leur contexte cellulaire avec une résolution suffisante pour visualiser des détails moléculaires, comme les monomères de tubuline. Ainsi, des molécules n'ayant pas encore été caractérisées, ont été observées dans la lumière des microtubules. Ces observations ont été effectuées autant sur des cellules observées en coupe par CEMOVIS que sur des cellules congelées dans leur totalité par immersion dans un bain d'éthane liquide. Enfin, nous avons montré que les microtubules étaient aussi de formidables objets, permettant une meilleure compréhension des artéfacts de coupe occasionnés lors de la préparation des échantillons par CEMOVIS. Les buts des études qui seront menées â la suite de ce travail seront de 1) essayer de localiser des domaines nucléaires spécifiques par des approches cytochimiques avant la congélation des cellules. 2) Appliquer des méthodes de moyennage afin d'obtenir un modèle tridimensionnel de la structure du complexe de pore nucléaire dans son contexte cellulaire. 3) Utiliser des approches biochimiques afin de déterminer la nature exacte des particules qui se trouvent dans la lumière des microtubules. ABSTRACT Nuclear architecture as well as microtubule ultrastructure have been extensively investigated by means of different methods of ultrastructural cytochemistry using chemically fixed and resin embedded samples or following cryofixation, cryosubstitution and embedding into various, especially partially hydrophilic resins. Here, we extend these studies using cryoelectron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) which allows one to observe the specimen as close as possible to its native state. Furthermore, we applied cryoelectron tomography of vitreous sections (TOVIS) in order to obtain athree-dimensional view of: 1) the nuclear periphery, and of the perichromatin region, and 2) the microtubule lumen. Concerning the nuclear architecture: Our observations show that nucleoli and condensed chromatin are well recognisable due to their specific texture. Conversely, the visualisation of other important nuclear domains, especially those containing ribonucleoproteins, is seriously hampered by a generally low contrast of the interchromatin region. This is mainly due to the plethora of information superposed in the volume of the section observed on two-dimensional micrographs. Cryoelectron tomography allowed us to better visualise nuclear regions. Condensed chromatin clumps are decorated on their periphery, the perichromatin region, by numerous fibrils and granules. Tunnels of interchromatin space can occasionally be found as crossing condensed chromatin regions, thus, allowing the access to nuclear pores. Finally, we were able to use TOVIS to directly distinguish most of the nuclear pore complex structures, at the level of a single pore. Concerning the microtubule ultrastructure: We have demonstrated that the polarity of across-sectioned microtubule observed in situ by CEMOVIS wás directly deducible from the visualisation of the tubulin protofiíaments' chirality. This chirality has been established before as related to the shape. of the tubulin subunits. Cryoelectron tomography allowed us to observe microtubules in their cellular context at a resolution sufficient to resolve molecular details such as their tubulin monomers. In this way, uncharacterized molecules were visualised in the microtubule lumen. These observations were made either on samples prepared by CEMOVIS or plunge freezing of whole cells. Finally, we have shown that microtubules are also relevant objects for the understanding of cutting artefacts, when performing CEMOVIS. The goals of our further studies will be to: 1) try to speciifically target different nuclear domains by cytochemical approaches in situ, prior to cryofixation. 2) Apply averaging methods in order to obtain a three-dimensional model of the nuclear pore complex at work, in its cellular context. 3) Use biochemical analysis combined in a second time to immunocytochemical approaches, to determine the exact nature of the microtubule's luminal particles.

Inhibition of Trypanosoma cruzi proline racemase affects host-parasite interactions and the outcome of in vitro infection

Proline racemase is an important enzyme of Trypanosoma cruzi and has been shown to be an effective mitogen for B cells, thus contributing to the parasite's immune evasion and persistence in the human host. Recombinant epimastigote parasites overexpressing TcPRAC genes coding for proline racemase present an augmented ability to differentiate into metacyclic infective forms and subsequently penetrate host-cells in vitro. Here we demonstrate that both anti T. cruzi proline racemase antibodies and the specific proline racemase inhibitor pyrrole-2-carboxylic acid significantly affect parasite infection of Vero cells in vitro. This inhibitor also hampers T. cruzi intracellular differentiation.

Assessing protein stability of the dimeric DNA-binding domain of E2 human papillomavirus 18 with molecular dynamics

The objective of this study is to understand the structural flexibility and curvature of the E2 protein of human papillomavirus type 18 using molecular dynamics (6 ns). E2 is required for viral DNA replication and its disruption could be an anti-viral strategy. E2 is a dimer, with each monomer folding into a stable open-faced β-sandwich. We calculated the mobility of the E2 dimer and found that it was asymmetric. These different mobilities of E2 monomers suggest that drugs or vaccines could be targeted to the interface between the two monomers.

Role of the epithelial sodium channel (ENaC) and its positive regulator, the channel-activating protease 1 (CAP1) in skin

Summary: The mammalian epidermis is a pluristratified epithelium composed of 90% keratinocytes, and its main function is to serve as barrier for the body. The epithelial sodium channel (ENaC), formed by three homologous subunits α, β and γ is found in a variety of epithelia including epidermis. Previous studies showed that ENaC modulates different aspects of epidermal differentiation, such as synthesis of differentiation-specific proteins and lipid secretion. ENaC plays also a critical role in sodium homeostasis of renal and pulmonary epithelia, and its activity is thereby well controlled by hormones and non-hormonal factors, such as the serine protease CAP1 (channel-activating protease 1), also termed prostasin encoded by Prss8 gene. Serine proteases are proteolytic enzymes involved in numerous physiological and pathological processes in the epidermis. In order to evaluate the role of β and γENaC in epidermis, we analyzed the skin phenotype of β and γENaC null mutant (βENaC-/- and γENaC-/-) mice in comparison with the phenotype of αENaC-deficient mice. Furthermore, keratin14-specific CAP1-deficient mice (Prss8lox/Δ /K14-Cre) were generated in order to unveil the role of the serine protease CAP1 in epidermal development and function. This study reveals that the skin phenotype of βENaC and γENaC null mutant mice is less severe than the one of αENaC-deficient mice. However, all these mice present a common premature lipid secretion in the mid-granular layer of the epidermis. Further, the composition of the lipids of the stratum corneum in αENaC-deficient mice is strongly altered, suggesting that epidermal barrier function is compromised. K14-specific CAP1-deficient newborn mice are born at the expected Mendelian ratio, but die soon after birth, showing that CAP1 is required for postnatal survival. The epidermis of these mice exhibits striking malformations of the stratum corneum showing hyperkeratosis. These defects seriously affect both inward and outward epidermal barrier function, leading to rapid and fatal dehydration. As in αENaC-deficient mice, the lipid composition of the stratum corneum of K14-specific CAP1-deficient mice is disturbed. Furthermore, lack of CAP1 leads to the selective loss of filaggrin monomers, important for keratins aggregation and skin moisturization, and to an increased of aberrant profilaggrin precursors. In conclusion, both ENaC and CAP1 expression in the epidermis are crucial for keratinocyte differentiation processes and/or barrier function. Since the abnormalities in K14-specific CAP1-deficient mice resemble key features of human skin ichthyosis, in particular Harlequin ichthyosis, the study of ENaC and CAP1 mutant mice might allow new insights into mechanisms underlying skin diseases. Résumé: L'épiderme des mammifères est un épithélium pluristratifié, protégeant le corps contre les perturbations extérieures et la déshydratation. Le canal épithélial à sodium (ENaC), formé de trois sous-unités α, β et γ, est exprimé dans de nombreux épithélia, comme l'épiderme. Des études ont montré que l'absence de la sous-unité αENaC modulait différents aspects de la différenciation des kératinocytes de l'épiderme, comme la synthèse de protéines spécifiques ou la sécrétion de lipides dans la couche granulaire de l'épiderme. ENaC joue également un rôle crucial dans l'homéostasie du sodium dans les épithélia électriquement étanches, comme l'épithélium rénal ou pulmonaire. L'activité de ENaC est par conséquent finement régulée, en partie par des hormones, mais aussi par des facteurs non-hormonaux, telle que la sérine protéase CAP1 (« channel-activating protease 1 >>) (nommée également prostasine et codée par le gène Prss8). Le but de ce travail a donc été d'étudier le rôle des sous-unités β et γENaC dans l'épiderme en comparaison avec celui de la sous-unité α en utilisant des souris mutantes βENaC-/- et γENaC-/-. Dans un deuxième temps, le phénotype d'une souris chez qui CAP1 a été spécifiquement invalidé dans l'épiderme (Prsslox/Δ/K14-Cre) a été analysé, dans le but de mettre en évidence le rôle de cette protéase dans l'épiderme. Comme déjà montré pour les souris αENaC-/-, la sécrétion des lipides dans la couche granulaire de l'épiderme des souris βENaC-/- et γENaC-/- est prématurée. Cependant, l'hyperplasie et l'expression anormale des protéines marqueurs de la différenciation présents chez les souris αENaC-/- n'ont pas été observés dans l'épiderme des souris βENaC-/- et γENaC-/-. La composition lipidique de la couche cornée des souris αENaC-/- est fortement altérée suggérant que la fonction de barrière de l'épiderme de ces souris est compromise. Les souris mutantes CAP1 ont quant à elles révélé des malformations sévères de leur couche cornée, affectant la fonction de barrière de leur épiderme et conduisant à la mort de ces souris par déshydratation quelques jours après leur naissance. De plus, la composition en lipides de la couche cornée ainsi que la taille des cellules cornées, les cornéocytes, de ces souris sont modifiées par rapport aux souris contrôles. L'invalidation de la protéine CAP1 dans l'épiderme conduit aussi à la perte de la filaggrine, une protéine cruciale pour l'agrégation des kératines dans la couche cornée et le maintien du niveau d'hydratation de la peau, et à l'accumulation de ses précurseurs. En conclusion, l'expression de ENaC et de CAP1 est cruciale pour la différenciation de l'épiderme et/ou sa fonction de barrière. De plus, le phénotype des souris mutantes CAP1 présente des caractéristiques qui ressemblent à celles observées dans certaines pathologies humaines cutanées, comme l'ichthyose d'Harlequin. L'étude des souris mutantes ENaC et CAP1 pourrait donc apporter de nouvelles connaissances dans les mécanismes impliqués dans l'ichthyose d'Harlequin ou d'autres maladies de la peau chez l'homme. Résumé tout public: La peau est le plus grand organe vital du corps humain. Sa fonction principale est de protéger le corps comme une barrière, contre les agressions extérieures et la déshydratation. De nombreuses maladies de la peau résultent d'une perte de fonction de cette barrière. Bien que les pathologies cutanées soient très bien décrites, leur cause génétique n'est en général pas encore connue. La souris est alors un modèle de choix pour la recherche fondamentale. En effet, grâce aux progrès récents de la science, le génome de la souris peut aujourd'hui être modifié dans le but d'étudier le rôle de nombreuses protéines. Dans différents organes, comme le rein et le poumon, le canal épithélial à sodium (ENaC), composé de trois sous-unités protéiques homologues (α, β, et γ), joue un rôle essentiel dans la réabsorption du sodium. L'activité de ENaC est régulée par de nombreux facteurs hormonaux et non-hormonaux, telle que la protéase CAP1 (« channel-activating protease 1 »). L'invalidation de la sous-unité αENaC chez la souris a permis de montrer que dans la peau, le canal ENaC est impliqué dans la différenciation des cellules de l'épiderme et la croissance des poils. Durant ce travail, le phénotype des souris chez qui la protéine βENaC, γENaC ou CAP1 a été invalidée (souris mutantes), a été étudié dans le but de mieux comprendre le rôle des sous-unités du canal ENaC et de son régulateur CAP1 dans la peau. Les résultats de ce projet ont montré que les souris mutantes βENaC et γENaC présentent un épiderme anormal avec une synthèse prématurée de lipides dans la couche granulaire, suggérant l'implication de ENaC dans la fonction de barrière de la peau. De plus, quand CAP1 est invalidé de manière totale chez les souris, le développement embryonnaire est perturbé et ces souris meurent avant la naissance. CAP1 a donc été invalidé spécifiquement dans l'épiderme des souris. Ces souris mutantes « épiderme-spécifique » naissent normalement, mais meurent peu après la naissance de déshydratation. La couche superficielle de l'épiderme, appelée couche cornée, de ces souris est malformée et ne confère plus à la peau sa fonction de barrière. De plus, les composants de la couche cornée, les cellules cornées entourées de lipides, sont sévèrement altérés. Le phénotype de ces souris ressemble aux caractéristiques présentes chez les patients atteints d'ichthyoses, en particulier l'ichthyose d'Harlequin. En conclusion, le canal ENaC ainsi que son régulateur CAP1 jouent un rôle clé dans les processus de différenciation de l'épiderme et/ou de sa fonction de barrière. De plus, les souris mutantes pour CAP1 et ENaC se révéleront peut-être comme des modèles appropriés dans l'étude de l'ichthyose d'Harlequin ou d'autres maladies cutanées.

Saccharomyces cerevisiae, a tool to study the β-oxidation through the synthesis of polyhydroxyalkanoates

Summary Polyhydroxyalkanoates (PHAs) represent a family of polyesters naturally synthesized by a wide variety of bacteria. Through their thermoplastic and elastomeric qualities, together with their biodegradable and renewable properties, they are predicted to be a good alternative to the petroleum- derived plastics. Nevertheless, as PHA production costs using bacteria fermentation are still too high, PHA synthesis within eukaryotic systems, such as plants, has been elaborated. Although the costs were then efficiently lowered, the yield of PHAs produced remained low. In this study, Saccharomyces cerevisae has been used as another eukaryotic model in order to reveal the steps which limit PHA production. These cells express the PHA synthase of Pseudomonas aeruginosa and the PHAs obtained were analyzed to understand the flux of fatty acids towards and through the peroxisomal β-oxidation core cycle, generating the main substrate of the PHA synthase. When S. cerevisiae wild-type cells are grown in a media containing glucose as carbon source as well as fatty acids, the PHA monomer composition is largely influenced by the nature of the external fatty acid used. Thus, even-chain PHA monomers are generated from oleic acid (18:1Δ9cis) and odd- chain PHA monomers are generated from heptadecenoic acid (17:1Δ. 10 cis). Moreover, PHA synthesis is dependent on the first two enzymes of the 0-oxidation core cycle, the acyl-CoA oxidase and the multifunctional enzyme enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase. S. cerevisiae mutant cells growing on oleic or heptadecenoic acid and deficient in either the R-3- hydroxyacyl-CoA dehydrogenase or in the 3-ketothiolase activity, the last β-oxidation cycle steps, surprisingly contained PHAs of predominantly even-chain monomers. This is also noticed in wild- type and mutants grown on glucose or raffinose, indicating that the substrate used for PHA synthesis is generated from the degradation of intracellular short- and medium-chain fatty acids by the 3- oxidation cycle. Inhibition of fatty acid biosynthesis by cerulenin blocks the synthesis of PHAs from intracellular fatty acids but still enables the use of extracellular fatty acids for polymer production. Together, these results uncovered the existence of a substantial futile cycle whereby short- and medium-chain intermediates of the cytoplasmic fatty acid biosynthetic pathway are directed towards the peroxisomal β-oxidation pathway. In this thesis, no increase of the yield of PHA produced could be obtained. But the PHA synthesis confirmed the carbon flux into and through the β-oxidation core cycle and unveiled the existence of novel mechanisms. It is thus a good tool to study in vivo the flux of carbons in S. cerevisiae cells. Résumé Les polyhydroxyalkanoates (PHAs) sont une famille de polyesters naturellement synthétisés par un grand nombre de bactéries. Ayant des propriétés de thermoplastiques, d'élastomères et étant des ressources biodégradables et renouvelables, les PHAs représentent une bonne alternative aux plastiques dérivés du pétrole. Pour pallier aux coûts considérables de la production de PHAs par fermentation bactérienne, la synthèse de PHAs par des systèmes eucaryotes telles les plantes a été élaborée. Les coûts ont ainsi efficacement été diminués, mais le rendement de PHAs produits reste faible. Dans cette étude, Saccharomyces cerevisiae a été utilisé comme autre modèle eucaryote pour révéler les étapes limitantes de la production de PHAs. Les PHAs obtenus dans les cellules exprimant la F'HA synthase de Pseudomonas aeruginosa ont été analysés afin de comprendre le flux d'acides gras vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation, principal producteur du substrat de la PHA synthase. Lorsque la souche S. cerevisiae de type sauvage se développe dans un milieu contenant du glucose et des acides gras, la composition des monomères de PHAs est influencée par la nature des acides gras extracellulaires. Ainsi, les monomères pairs sont générés par l'acide oléique (18:1Δ9cis), tandis que les impairs le sont par l'acide heptadécénoïque (17:1Δ10cis). La synthèse de PHAs est dépendante des deux premières enzymes de la β-oxidation; l'acyl-CoA oxidase et l'enzyme multifonctionnelle enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase. Les souches mutantes ne possédant pas les activités de la R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase ou de la 3- ketothiolase contiennent, en présence d'acide oléique ou heptadécénoïque, des PHAs composés essentiellement de monomères pairs. Cela a également été observé en présence de glucose ou de raffinose uniquement. Le substrat utilisé pour la synthèse de PHAs a ainsi été généré par la dégradation d'acides gras intracellulaires à chaîne courte et moyenne via le cycle de la β-oxidation. L'inhibition de la synthèse d'acides gras par la cérulénine a bloqué la synthèse de PHAs par les acides gras internes. Ces résultats ont révélés l'existence d'un cycle futile par lequel des intermédiaires à chaîne courte et moyenne de la synthèse cytoplasmique d'acides gras sont dirigés vers le cycle péroxisomal de la β-oxidation. Dans cette étude, le rendement de PHAs produits reste inchangé, mais l'analyse des PHAs permet de confirmer le flux de carbones vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation et l'existence de nouveaux méchanismes a été dévoilée. Cette synthèse s'avère être un bon outil pour étudier in vivo le flux de carbones dans les cellules de S. cerevisiae.

Vascular endothelial growth factor-A enhances indoleamine 2,3-dioxygenase expression by dendritic cells and subsequently impacts lymphocyte proliferation

Dendritic cells (DCs) are antigen (Ag)-presenting cells that activate and stimulate effective immune responses by T cells, but can also act as negative regulators of these responses and thus play important roles in immune regulation. Pro-angiogenic vascular endothelial growth factor (VEGF) has been shown to cause defective DC differentiation and maturation. Previous studies have demonstrated that the addition of VEGF to DC cultures renders these cells weak stimulators of Ag-specific T cells due to the inhibitory effects mediated by VEGF receptor 1 (VEGFR1) and/or VEGFR2 signalling. As the enzyme indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) is recognised as an important negative regulator of immune responses, this study aimed to investigate whether VEGF affects the expression of IDO by DCs and whether VEGF-matured DCs acquire a suppressor phenotype. Our results are the first to demonstrate that VEGF increases the expression and activity of IDO in DCs, which has a suppressive effect on Ag-specific and mitogen-stimulated lymphocyte proliferation. These mechanisms have broad implications for the study of immunological responses and tolerance under conditions as diverse as cancer, graft rejection and autoimmunity.

Pathways for the synthesis of polyesters in plants; cutin, suberin, and polyhydroxyalkanoates

Plants naturally produce the lipid-derived polyester cutin, which is found in the plant cuticle that is deposited at the outermost extracellular matrix of the epidermis covering nearly all aboveground tissues. Being at the interface between the cell and the external environment, cutin and the cuticle play important roles in the protection of plants from several stresses. A number of enzymes involved in the synthesis of cutin monomers have recently been identified, including several P450s and one acyl-CoA synthetase, thus representing the first steps toward the understanding of polyester formation and, potentially, polyester engineering to improve the tolerance of plants to stresses, such as drought, and for industrial applications. However, numerous processes underlying cutin synthesis, such as a controlled polymerization, still remain elusive. Suberin is a second polyester found in the extracellular matrix, most often synthesized in root tissues and during secondary growth. Similar to cutin, the function of suberin is to seal off the respective tissue to inhibit water loss and contribute to resistance to pathogen attack. Being the main constituent of cork, suberin is a plant polyester that has already been industrially exploited. Genetic engineering may be worth exploring in order to change the polyester properties for either different applications or to increase cork production in other species. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are attractive polyesters of 3-hydroxyacids because of their properties as bioplastics and elastomers. Although PHAs are naturally found in a wide variety of bacteria, biotechnology has aimed at producing these polymers in plants as a source of cheap and renewable biodegradable plastics. Synthesis of PHA containing various monomers has been demonstrated in the cytosol, plastids, and peroxisomes of plants. Several biochemical pathways have been modified in order to achieve this, including the isoprenoid pathway, the fatty acid biosynthetic pathway, and the fatty acid β-oxidation pathway. PHA synthesis has been demonstrated in a number of plants, including monocots and dicots, and up to 40% PHA per gram dry weight has been demonstrated in Arabidopsis thaliana. Despite some successes, production of PHA in crop plants remains a challenging project. PHA synthesis at high level in vegetative tissues, such as leaves, is associated with chlorosis and reduced growth. The challenge for the future is to succeed in synthesis of PHA copolymers with a narrow range of monomer compositions, at levels that do not compromise plant productivity. This goal will undoubtedly require a deeper understanding of plant biochemical pathways and how carbon fluxes through these pathways can be manipulated, areas where plant "omics" can bring very valuable contributions.

Large fluctuations in the disassembly rate of microtubules revealed by atomic force microscopy.

Atomic force microscopy (AFM) in situ has been used to observe the cold disassembly dynamics of microtubules at a previously unrealised spatial resolution. Microtubules either electrostatically or covalently bound to aminosilane surfaces disassembled at room temperature under buffer solutions with no free tubulin present. This process was followed by taking sequential tapping-mode AFM images and measuring the change in the microtubule end position as a function of time, with an spatial accuracy down to +/-20nm and a temporal accuracy of +/-1s. As well as giving average disassembly rates on the order of 1-10 tubulin monomers per second, large fluctuations in the disassembly rate were revealed, indicating that the process is far from smooth and linear under these experimental conditions. The surface bound rates measured here are comparable to the rates for GMPCPP-tubulin microtubules free in solution, suggesting that inhibition of tubulin curvature through steric hindrance controls the average, relatively low disassembly rate. The large fluctuations in this rate are thought to be due to multiple pathways in the kinetics of disassembly with differing rate constants and/or stalling due to defects in the microtubule lattice. Microtubules that were covalently bound to the surface left behind the protofilaments covalently cross-linked to the aminosilane via glutaraldehyde during the disassembly process. Further work is needed to quantitatively assess the effects of surface binding on protofibril disassembly rates, reveal any differences in disassembly rates between the plus and minus ends and to enable assembly as well as disassembly to be imaged in the microscope fluid cell in real-time.

Direct visualization of the trimeric structure of the ASIC1a channel, using AFM imaging.

There has been confusion about the subunit stoichiometry of the degenerin family of ion channels. Recently, a crystal structure of acid-sensing ion channel (ASIC) 1a revealed that it assembles as a trimer. Here, we used atomic force microscopy (AFM) to image unprocessed ASIC1a bound to mica. We detected a mixture of subunit monomers, dimers and trimers. In some cases, triple-subunit clusters were clearly visible, confirming the trimeric structure of the channel, and indicating that the trimer sometimes disaggregated after adhesion to the mica surface. This AFM-based technique will now enable us to determine the subunit arrangement within heteromeric ASICs.

Host factors in occupational diisocyanate asthma: a Swiss longitudinal study

Objective: To investigate the usefulness of surrogates for individual susceptibility to organic diisocyanates in occupational asthma. Subjects: All new cases declared to the Swiss National Accident Insurance Company (SUVA) for establishment of a case for compensable occupational disease during 1993. Sixty-nine persons, of whom three were women, were suspected of having occupational asthma due to isocyanates. Of these, 47 subjects fulfilled the criteria to be accepted as an occupational disease case. Methods: All subjects were studied clinically and gave a blood sample for the phenotyping of their alpha-antitrypsin status and for immunological studies. The subjects were also given a peroral dose of caffeine for the determination of their N-acetylation capacity. Finally, those with an occupational disease were subjected to the methacholine provocation test. Results: Forty-four persons with occupational disease, out of 47, were heterozygous antitrypsin carriers and/or slow acetylators of primary amines. In the bronchial provocation with methacholine, 12 of these subjects had an unaltered response and seven had a mild reaction, 13 a moderate one and 15 a severe reaction. Interpretation: The study confirms the finding that slow N-acetylators are susceptible to asthma from exposure to common diisocyanate monomers at work. The same applies to heterozygous antitrypsin-phenotype carriers. Thus, the use of these markers may reinforce the diagnostic procedure, but they cannot completely replace the immunological tests. [Authors]

Polyhydroxyalkanoate synthesis in transgenic plants as a new tool to study carbon flow through beta-oxidation.

Transgenic plants producing peroxisomal polyhydroxy- alkanoate (PHA) from intermediates of fatty acid degradation were used to study carbon flow through the beta-oxidation cycle. Growth of transgenic plants in media containing fatty acids conjugated to Tween detergents resulted in an increased accumulation of PHA and incorporation into the polyester of monomers derived from the beta-oxidation of these fatty acids. Tween-laurate was a stronger inducer of beta-oxidation, as measured by acyl-CoA oxidase activity, and a more potent modulator of PHA quantity and monomer composition than Tween-oleate. Plants co-expressing a peroxisomal PHA synthase with a capryl-acyl carrier protein thioesterase from Cuphea lanceolata produced eightfold more PHA compared to plants expressing only the PHA synthase. PHA produced in double transgenic plants contained mainly saturated monomers ranging from 6 to 10 carbons, indicating an enhanced flow of capric acid towards beta-oxidation. Together, these results support the hypothesis that plant cells have mechanisms which sense levels of free or esterified unusual fatty acids, resulting in changes in the activity of the beta-oxidation cycle as well as removal and degradation of these unusual fatty acids through beta-oxidation. Such enhanced flow of fatty acids through beta-oxidation can be utilized to modulate the amount and composition of PHA produced in transgenic plants. Furthermore, synthesis of PHAs in plants can be used as a new tool to study the quality and relative quantity of the carbon flow through beta-oxidation as well as to analyse the degradation pathway of unusual fatty acids.

Repercussion of a deficiency in mitochondrial ß-oxidation on the carbon flux of short-chain fatty acids to the peroxisomal ß-oxidation cycle in Aspergillus nidulans.

The fungus Aspergillus nidulans contains both a mitochondrial and peroxisomal ß-oxidation pathway. This work was aimed at studying the influence of mutations in the foxA gene, encoding a peroxisomal multifunctional protein, or in the scdA/echA genes, encoding a mitochondrial short-chain dehydrogenase and an enoyl-CoA hydratase, respectively, on the carbon flux to the peroxisomal ß-oxidation pathway. A. nidulans transformed with a peroxisomal polyhydroxyalkanoate (PHA) synthase produced PHA from the polymerization of 3-hydroxyacyl-CoA intermediates derived from the peroxisomal ß-oxidation of external fatty acids. PHA produced from erucic acid or heptadecanoic acid contained a broad spectrum of monomers, ranging from 5 to 14 carbons, revealing that the peroxisomal ß-oxidation cycle can handle both long and short-chain intermediates. While the ∆foxA mutant grown on erucic acid or oleic acid synthesized 10-fold less PHA compared to wild type, the same mutant grown on octanoic acid or heptanoic acid produced 3- to 6-fold more PHA. Thus, while FoxA has an important contribution to the degradation of long-chain fatty acids, the flux of short-chain fatty acids to peroxisomal ß-oxidation is actually enhanced in its absence. While no change in PHA was observed in the ∆scdA∆echA mutant grown on erucic acid or oleic acid compared to wild type, there was a 2- to 4-fold increased synthesis of PHA in ∆scdA∆echA cells grown in octanoic acid or heptanoic acid. These results reveal that a compensatory mechanism exists in A. nidulans that increases the flux of short-chain fatty acids towards the peroxisomal ß-oxidation cycle when the mitochondrial ß-oxidation pathway is defective.

Production of renewable polymers from crop plants

Plants produce a range of biopolymers for purposes such as maintenance of structural integrity, carbon storage, and defense against pathogens and desiccation. Several of these natural polymers are used by humans as food and materials, and increasingly as an energy carrier. In this review, we focus on plant biopolymers that are used as materials in bulk applications, such as plastics and elastomers, in the context of depleting resources and climate change, and consider technical and scientific bottlenecks in the production of novel or improved materials in transgenic or alternative crop plants. The biopolymers discussed are natural rubber and several polymers that are not naturally produced in plants, such as polyhydroxyalkanoates, fibrous proteins and poly-amino acids. In addition, monomers or precursors for the chemical synthesis of biopolymers, such as 4-hydroxybenzoate, itaconic acid, fructose and sorbitol, are discussed briefly

Engineering polyhydroxyalkanoate content and monomer composition in the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica by modifying the ß-oxidation multifunctional protein.

Recombinant strains of the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica expressing the PHA synthase gene (PhaC) from Pseudomonas aeruginosa in the peroxisome were found able to produce polyhydroxyalkanoates (PHA). PHA production yield, but not the monomer composition, was dependent on POX genotype (POX genes encoding acyl-CoA oxidases) (Haddouche et al. FEMS Yeast Res 10:917-927, 2010). In this study of variants of the Y. lipolytica β-oxidation multifunctional enzyme, with deletions or inactivations of the R-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase domain, we were able to produce hetero-polymers (functional MFE enzyme) or homo-polymers (with no 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase activity) of PHA consisting principally of 3-hydroxyacid monomers (>80%) of the same length as the external fatty acid used for growth. The redirection of fatty acid flux towards β-oxidation, by deletion of the neutral lipid synthesis pathway (mutant strain Q4 devoid of the acyltransferases encoded by the LRO1, DGA1, DGA2 and ARE1 genes), in combination with variant expressing only the enoyl-CoA hydratase 2 domain, led to a significant increase in PHA levels, to 7.3% of cell dry weight. Finally, the presence of shorter monomers (up to 20% of the monomers) in a mutant strain lacking the peroxisomal 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase domain provided evidence for the occurrence of partial mitochondrial β-oxidation in Y. lipolytica.