Crystallographic studies on membrane and cytoplasmic enzymes

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry, Structural Biochemistry

Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs): from metabolic control to epidermal wound healing.

Peroxisome proliferator-activated receptors control many cellular and metabolic processes. They are transcription factors belonging to the family of ligand-inducible nuclear receptors. Three isotypes called PPARalpha, PPARbeta/delta and PPARgamma have been identified in lower vertebrates and mammals. They display differential tissue distribution and each of the three isotypes fulfills specific functions. PPARalpha and PPARgamma control energy homoeostasis and inflammatory responses. Their activity can be modulated by drugs such as the hypolipidaemic fibrates and the insulin sensitising thiazolidinediones (pioglitazone and rosiglitazone). Thus, these receptors are involved in the control of chronic diseases such as diabetes, obesity, and atherosclerosis. Little is known about the main function of PPARbeta, but it has been implicated in embryo implantation, tumorigenesis in the colon, reverse cholesterol transport, and recently in skin wound healing. Here, we present recent developments in the PPAR field with particular emphasis on both the function of PPARs in lipid metabolism and energy homoeostasis (PPARalpha and PPARgamma), and their role in epidermal maturation and skin wound repair (PPARalpha and PPARbeta).

The neutrophil NLRC4 inflammasome selectively promotes IL-1β maturation without pyroptosis during acute Salmonella challenge.

The macrophage NLRC4 inflammasome drives potent innate immune responses against Salmonella by eliciting caspase-1-dependent proinflammatory cytokine production (e.g., interleukin-1β [IL-1β]) and pyroptotic cell death. However, the potential contribution of other cell types to inflammasome-mediated host defense against Salmonella was unclear. Here, we demonstrate that neutrophils, typically viewed as cellular targets of IL-1β, themselves activate the NLRC4 inflammasome during acute Salmonella infection and are a major cell compartment for IL-1β production during acute peritoneal challenge in vivo. Importantly, unlike macrophages, neutrophils do not undergo pyroptosis upon NLRC4 inflammasome activation. The resistance of neutrophils to pyroptotic death is unique among inflammasome-signaling cells so far described and allows neutrophils to sustain IL-1β production at a site of infection without compromising the crucial inflammasome-independent antimicrobial effector functions that would be lost if neutrophils rapidly lysed upon caspase-1 activation. Inflammasome pathway modification in neutrophils thus maximizes host proinflammatory and antimicrobial responses during pathogen challenge.

Propofol anesthesia impairs the maturation and survival of adult-born hippocampal neurons.

BACKGROUND: Adult neurogenesis occurs in the hippocampus of most mammals, including humans, and plays an important role in hippocampal-dependent learning. This process is highly regulated by neuronal activity and might therefore be vulnerable to anesthesia. In this article, the authors investigated this possibility by evaluating the impact of propofol anesthesia on mouse hippocampal neurons generated during adulthood, at two functionally distinct maturational stages of their development. METHODS: Adult-born hippocampal neurons were identified using the cell proliferation marker bromodeoxyuridine or a retroviral vector expressing the green fluorescent protein in dividing cells and their progenies. Eleven or 17 days after the labeling procedure, animals (n = 3-5 animals per group) underwent a 6-h-long propofol anesthesia. Twenty-one days after labeling, the authors analyzed the survival, differentiation, and morphologic maturation of adult-born neurons using confocal microscopy. RESULTS: Propofol impaired the survival and maturation of adult-born neurons in an age-dependent manner. Anesthesia induced a significant decrease in the survival of neurons that were 17 days old at the time of anesthesia, but not of neurons that were 11 days old. Similarly, propofol anesthesia significantly reduced the dendritic maturation of neurons generated 17 days before anesthesia, without interfering with the maturation of neurons generated 11 days before anesthesia. CONCLUSIONS: These results reveal that propofol impairs the survival and maturation of adult-born hippocampal neurons in a developmental stage-dependent manner in mice.

BAFF binds to the tumor necrosis factor receptor-like molecule B cell maturation antigen and is important for maintaining the peripheral B cell population.

The tumor necrosis factor (TNF) family member B cell activating factor (BAFF) binds B cells and enhances B cell receptor-triggered proliferation. We find that B cell maturation antigen (BCMA), a predicted member of the TNF receptor family expressed primarily in mature B cells, is a receptor for BAFF. Although BCMA was previously localized to the Golgi apparatus, BCMA was found to be expressed on the surface of transfected cells and tonsillar B cells. A soluble form of BCMA, which inhibited the binding of BAFF to a B cell line, induced a dramatic decrease in the number of peripheral B cells when administered in vivo. Moreover, culturing splenic cells in the presence of BAFF increased survival of a percentage of the B cells. These results are consistent with a role for BAFF in maintaining homeostasis of the B cell population.

Maturation and Functional Integration of New Granule Cells into the Adult Hippocampus.

The adult hippocampus generates functional dentate granule cells (GCs) that release glutamate onto target cells in the hilus and cornus ammonis (CA)3 region, and receive glutamatergic and γ-aminobutyric acid (GABA)ergic inputs that tightly control their spiking activity. The slow and sequential development of their excitatory and inhibitory inputs makes them particularly relevant for information processing. Although they are still immature, new neurons are recruited by afferent activity and display increased excitability, enhanced activity-dependent plasticity of their input and output connections, and a high rate of synaptogenesis. Once fully mature, new GCs show all the hallmarks of neurons generated during development. In this review, we focus on how developing neurons remodel the adult dentate gyrus and discuss key aspects that illustrate the potential of neurogenesis as a mechanism for circuit plasticity and function.

A comparison of cognitive processes and components of neurological maturation in 3-and-11 year-old children

The relationship between the child's cogni tive development and neurological maturation has been of theoretical interest for many year s. Due to diff iculties such as the lack of sophisticated techniques for measur ing neurolog ical changes and a paucity of normative data, few studies exist that have attempted to correlate the two factors. Recent theory on intellectual development has proposed that neurological maturation may be a factor in the increase of short-term memory storage space. Improved technology has allowed reliable recordings of neurolog ical maturation.. In an attempt to correlate cogni tive development and neurological maturation, this study tested 3-and II-year old children. Fine motor and gross motor short-term memory tests were used to index cogni tive development. Somatosensory evoked potentials elici ted by median nerve stimulation were used to measure the time required for the sensation to pass along the nerve to specific points on the somatosensory pathway. Times were recorded for N14, N20, and P22 interpeak latencies. Maturation of the central nervous system (brain and spinal cord) and the peripheral nervous system (outside the brain and spinal cord) was indi~ated by the recorded times. Signif icant developmental di fferences occurred between 3-and ll-year-olds in memory levels, per ipheral conduction velocity and central conduction times. Linear regression analyses showed that as age increased, memory levels increased and central conduction times decreased. Between the ll-year-old groups, there were no significant differences in central or peripheral nervous system maturation between subjects who achieved a 12 plus score on the digit span test of the WISC-R and those who scored 7 or lower on the same test. Levels achieved on the experimental gross and fine motor short-term memory tests differed significantly within the ll-year-old group.

The genetics of glucosamine in yeast : cytoplasmic determinants conferring resistance

Two cytoplasmic, glucosamine resistant mutants of Saccharomyces cerevisiae, GR6 and GR10, were examined to determine whether or not the lesions involved were located on mitochondrial DNA. Detailed investigation of crosses of GR6 and GR10 or their derivatives to strains bearing known mitochondrial markers demonstrated that: 1. the frequency of glucos~~ine resistance in diploids was independent of factors influencing mitochondrial marker output. 2. upon tetrad analysis a variety of tetrad ratios was observed for glucosamine resistance whereas mitochondrial markers segregated 4:0 or 0:4 (resistant:sensitive). 3. glucosamine resistance and mitochondrial markers segregated differentially with time. 4. glucosamine resistance persisted following treatment of a GRIO derivative with ethidium bromide at concentrations high enough to eliminate all mitochondrial DNA. 5. haploid spore clones displayed two degrees of glucosamine resistance, weak and strong, while growth due to mitochondrial mutations was generally thick and confluent. 6. a number of glucosamine resistant diploids and haploids, which also possessed a mithchondrial resistance mutation, were unable to grow on medium containing both glucosamine and the particular drug involved. 3 These observations 1~ 6 provided strong evidence that the cytoplasmic glucosamine resistant mutations present in GR6 and GRiO were not situated on mitochondrial DNA. Comparison of the glucosamine resistance mutations to some other known cytoplasmic determinants revealed that: 7. glucosamine resistance and the expression of the killer phenotype were separate phenomena. 8. unlike yeast carrying resistance conferring episomes GR6 and GR10 were not resistant to venturicidin or oligomycin and the GR factor exhibited genetic behaviour different from that of the episomal determinants. These results 7--+8 suggested that glucosamine resistance was not associated with the killer determinant nor with alleged yeast episomes. It is therefore proposed that a yeast plasmid(s), previously undescribed, is responsible for glucosamine resistance. The evidence to date is compatible with the hypothesis that GR6 and GR10 carry allelic mutations of the same plasmid which is tentatively designated (GGM).

Electrophysiology of Oculomotor Delayed Response Tasks: A Model for the Maturation of Visual-Spatial Working Memory Networks

In the literature, persistent neural activity over frontal and parietal areas during the delay period of oculomotor delayed response (ODR) tasks has been interpreted as an active representation of task relevant information and response preparation. Following a recent ERP study (Tekok-Kilic, Tays, & Tkach, 2011 ) that reported task related slow wave differences over frontal and parietal sites during the delay periods of three ODR tasks, the present investigation explored developmental differences in young adults and adolescents during the same ODR tasks using 128-channel dense electrode array methodology and source localization. This exploratory study showed that neural functioning underlying visual-spatial WM differed between age groups in the Match condition. More specifically, this difference is localized anteriorly during the late delay period. Given the protracted maturation of the frontal lobes, the observed variation at the frontal site may indicate that adolescents and young adults may recruit frontal-parietal resources differently.

Active nuclear import and cytoplasmic retention of activation-induced deaminase

The enzyme activation-induced deaminase (AID) triggers antibody diversification in B cells by catalyzing deamination and consequently mutation of immunoglobulin genes. To minimize off-target deamination, AID is restrained by several regulatory mechanisms including nuclear exclusion, thought to be mediated exclusively by active nuclear export. Here we identify two other mechanisms involved in controlling AID subcellular localization. AID is unable to passively diffuse into the nucleus, despite its small size, and its nuclear entry requires active import mediated by a conformational nuclear localization signal. We also identify in its C terminus a determinant for AID cytoplasmic retention, which hampers diffusion to the nucleus, competes with nuclear import and is crucial for maintaining the predominantly cytoplasmic localization of AID in steady-state conditions. Blocking nuclear import alters the balance between these processes in favor of cytoplasmic retention, resulting in reduced isotype class switching.

Purification of mitochondrial RNase P in A. nidulans

Résumé La ribonucléase P (RNase P) est une ribonucléoprotéine omniprésente dans tous les règnes du vivant, elle est responsable de la maturation en 5’ des précurseurs des ARNs de transfert (ARNts) et quelques autres petits ARNs. L’enzyme est composée d'une sous unité catalytique d'ARN (ARN-P) et d'une ou de plusieurs protéines selon les espèces. Chez les eucaryotes, l’activité de la RNase P cytoplasmique est distincte de celles des organelles (mitochondrie et chloroplaste). Chez la plupart des espèces, les ARN-P sont constituées de plusieurs éléments structuraux secondaires critiques conservés au cours de l’évolution. En revanche, au niveau de la structure, une réduction forte été observé dans la plupart des mtARN-Ps. Le nombre de protéines composant la RNase P est extrêmement variable : une chez les bactéries, environ quatre chez les archéobactéries, et dix chez la forme cytoplasmique des eucaryotes. Cet aspect est peu connu pour les formes mitochondriales. Dans la plupart des cas, l’identification de la mtRNase P est le résultat de longues procédures de purification comprenant plusieurs étapes dans le but de réduire au minimum le nombre de protéines requises pour l’activité (exemple de la levure et A. nidulans). Cela mène régulièrement à la perte de l’activité et de l’intégrité des complexes ribonucléo-protéiques natifs. Dans ce travail, par l’utilisation de la technique de BN-PAGE, nous avons développé une procédure d’enrichissement de l’activité RNase P mitochondriale native, donnant un rendement raisonnable. Les fractions enrichies capables de cette activité enzymatique ont été analysées par LC/MS/MS et les résultats montrent que l’holoenzyme de la RNase P de chacune des fractions contient un nombre de protéines beaucoup plus grand que ce qui était connue. Nous suggérons une liste de protéines (principalement hypothétiques) qui accompagnent l’activité de la RNase P. IV De plus, la question de la localisation de la mtRNase P de A. nidulans a été étudiée, selon nos résultats, la majorité de la mtRNase P est attachée á la membrane interne de la mitochondrie. Sa solubilisation se fait par l’utilisation de différents types de détergent. Ces derniers permettent l’obtention d’un spectre de complexes de la RNase P de différentes tailles.

Regulation of cholesterol intake by the corpus luteum

Studies were funded by Colegio de Postgraduados, México. CONACyT, México. SRE, México. Ministère de l’Éducation du Québec, University of Montreal and an Operating Grant to B.D. Murphy from the Canadian Institutes of Health Research.

Caractérisation de la MAP kinase atypique Erk4 : activation et fonction physiologique

Les MAP kinases sont des enzymes essentielles impliquées dans 7 voies de signalisation distinctes qui permettent à la cellule de répondre de manière adéquate aux stimuli extra-cellulaires. Chez les mammifères, les MAP kinases les mieux caractérisées sont Erk1/2, Jnk, p38 et Erk5. Ces enzymes jouent un rôle important dans l’embryogenèse, la prolifération et la différenciation cellulaire ainsi que dans la réponse au stress. Erk4 est un membre atypique de la famille MAP kinase. D’une part, la boucle d’activation de Erk4 possède un motif SEG au lieu du motif TXY, très conservé chez les MAP kinases. D’autre part, Erk4 possède une extension en C-terminal du domaine kinase qui n’est pas présente chez les MAP kinases classiques. Jusqu’à présent aucune fonction n’a été attribuée à Erk4. De plus, la voie de signalisation ainsi que le mode de régulation conduisant à l’activation de Erk4 ne sont pas connus. Le seul substrat de Erk4 identifié jusqu’à maintenant est la MAPKAP kinase MK5. L’impact fonctionnel de cette interaction n’est également pas connu. Afin d’en apprendre davantage sur la MAP kinase atypique Erk4, nous avons étudié le mécanisme d’activation de cette kinase ainsi que sa fonction physiologique par une approche de délétion génique chez la souris. En ce qui concerne l’activation de Erk4, nous avons montré que la boucle d’activation de Erk4 (S186EG) est constitutivement phosphorylée in vivo et que cette phosphorylation n’est pas modulée par les stimuli classiques des MAP kinases dont le sérum et le sorbitol. Cependant, nous avons observé que la phosphorylation de la S186 augmente en présence de MK5 et que cette augmentation est indépendante de l’activité kinase de l’une ou l’autre de ces kinases. De plus, nous avons établi que la phosphorylation de la boucle d’activation de Erk4 est requise pour l’interaction stable entre Erk4 et MK5 ainsi que pour l’activation, et la relocalisation cytoplasmique de MK5. Ainsi, notre étude a permis de révéler que Erk4 est régulée de manière différente des MAP kinases classiques et que la phosphorylation de la boucle d’activation de Erk4 joue un rôle essentiel dans la régulation de l’activité de MK5. Parallèlement, nos résultats mettent en évidence l’existence d’une “Erk4 kinase”, dont le recrutement et/ou l’activation semble être facilité par MK5. Afin identifier la fonction physiologique de Erk4, nous avons généré des souris Erk4-déficientes. L’inactivation génique de Erk4 est viable et les souris ne présentent aucune anomalie apparente. Dans le but d’expliquer l’absence de phénotype, nous avons regardé si l’expression de Erk3, le paralogue de Erk4, pouvait compenser la perte de Erk4. Notre analyse a révélé que l’expression de Erk3 dans les souris Erk4-/- n’augmente pas au cours du développement embryonnaire ou dans les tissus adultes afin de compenser pour la perte de Erk4. Par la suite, nous avons adressé la question de redondance entre Erk4 et Erk3. Dans notre laboratoire, les souris Erk3-déficientes ont également été générées et le phénotype de ces souris a récemment été analysé. Cette étude a révélé que l’inactivation génique de Erk3 entraîne un retard de croissance intra-utérin, un défaut de maturation pulmonaire et la mort néo-natale des souriceaux. Nous avons donc regardé la contribution de Erk4 dans ces phénotypes. L’analyse des souris Erk4-/- a révélé que l’inactivation de Erk4 n’entraîne pas de retard de croissance ou de maturation du poumon. De plus, nous avons montré que l’inactivation additionnelle de Erk4 dans les souris Erk3-/- n’accentue pas le phénotype des souris Erk3-déficientes. Ainsi, notre étude a révélé que contrairement à Erk3, Erk4 n’est pas essentielle au développement murin dans des conditions physiologiques. Parallèlement, nous avons montré que Erk4 et Erk3 possèdent des fonctions non-redondantes in vivo.

Mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de l’acide polysialique (PSA) dans le néocortex visuel des souris durant la maturation des synapses GABAergiques

Le fonctionnement du cortex cérébral nécessite l’action coordonnée de deux des sous-types majeurs de neurones, soient les neurones à projections glutamatergiques et les interneurones GABAergiques. Les interneurones GABAergiques ne constituent que 20 à 30% des cellules corticales par rapport au grand nombre de neurones glutamatergiques. Leur rôle est toutefois prépondérant puisqu’ils modulent fortement la dynamique et la plasticité des réseaux néocorticaux. Il n’est donc pas surprenant que les altérations de développement des circuits GABAergiques soient associées à plusieurs maladies du cerveau, incluant l’épilepsie, le syndrome de Rett et la schizophrénie. La compréhension des mécanismes moléculaires régissant le développement des circuits GABAergiques est une étape essentielle menant vers une meilleure compréhension de la façon dont les anormalités se produisent. Conséquemment, nous nous intéressons au rôle de l’acide polysialique (PSA) dans le développement des synapses GABAergiques. PSA est un homopolymère de chaînons polysialylés en α-2,8, et est exclusivement lié à la molécule d’adhésion aux cellules neuronales (NCAM) dans les cerveaux de mammifères. PSA est impliqué dans plusieurs processus développementaux, y compris la formation et la plasticité des synapses glutamatergiques, mais son rôle dans les réseaux GABAergiques reste à préciser. Les données générées dans le laboratoire du Dr. Di Cristo démontrent que PSA est fortement exprimé post- natalement dans le néocortex des rongeurs, que son abondance diminue au cours du développement, et, faits importants, que son expression dépend de l’activité visuelle i et est inversement corrélée à la maturation des synapses GABAergiques. La présente propose de caractériser les mécanismes moléculaires régulant l’expression de PSA dans le néocortex visuel de la souris. Les enzymes polysialyltransférases ST8SiaII (STX) et ST8SiaIV (PST) sont responsables de la formation de la chaîne de PSA sur NCAM. En contrôlant ainsi la quantité de PSA sur NCAM, ils influenceraient le développement des synapses GABAergiques. Mon projet consiste à déterminer comment l’expression des polysialyltransférases est régulée dans le néocortex visuel des souris durant la période post-natale; ces données sont à la fois inconnues, et cruciales. Nous utilisons un système de cultures organotypiques dont la maturation des synapses GABAergiques est comparable au modèle in vivo. L’analyse de l’expression génique par qPCR a démontré que l’expression des polysialyltransférases diminue au cours du développement; une baisse majeure corrélant avec l’ouverture des yeux chez la souris. Nous avons de plus illustré pour la première fois que l’expression de STX, et non celle de PST, est activité-dépendante, et que ce processus requiert l’activation du récepteur NMDA, une augmentation du niveau de calcium intracellulaire et la protéine kinase C (PKC). Ces données démontrent que STX est l’enzyme régulant préférentiellement le niveau de PSA sur NCAM au cours de la période post-natale dans le cortex visuel des souris. Des données préliminaires d’un second volet de notre investigation suggèrent que l’acétylation des histones et la méthylation de l’ADN pourraient également contribuer à la régulation de la transcription de cette enzyme durant le développement. Plus d’investigations seront toutefois nécessaires afin de confirmer cette hypothèse. En somme, la connaissance des mécanismes par lesquels l’expression des ii polysialyltransférases est modulée est essentielle à la compréhension du processus de maturation des synapses GABAergiques. Ceci permettrait de moduler pharmacologiquement l’expression de ces enzymes; la sur-expression de STX et/ou PST pourrait produire une plus grande quantité de PSA, déstabiliser les synapses GABAergiques, et conséquemment, ré-induire la plasticité cérébrale.