Investigating the role of retinoic acid in the vertebrate and invertebrate nervous system

Please consult the paper edition of this thesis to read. It is available on the 5th Floor of the Library at Call Number: Z 9999.5 B56 D64 2007

Investigation into the relationships between molecular chaperones, mitochondrial antioxidant enzymes, and endothermic vertebrate longevity

The maximum lifespan (MLSP) of endothermic vertebrates can range from as little as a year to over two centuries, yet the underlying phenotype of aging is very similar amongst this group of organisms. One organelle that may be important in the phenotype of aging is the mitochondrion. When damaged, this organelle is thought to contribute to many of the neurodegenerative diseases of aging. For this thesis, mitochondria from brain tissues of 7 mammalian and 2 avian species were isolated to assess whether the antioxidant glutathione system and major molecular chaperone, HSP60, is correlated to species MLSP. Furthermore, HSP60, and the major endoplasmic reticulum chaperone, GRP78, were measured under basal conditions, and following the introduction of an oxidative stress (hydrogen peroxide) in cultured mammalian myoblasts from 10 different species. My results indicate that the enzymes involved in the glutathione defense system are not correlated to species MLSP in brain mitochondria; however HSP60 levels are indeed higher in the longer-lived species. HSP60 levels are also higher at the basal level in cultured mammalian myoblasts and after 1 hour of hydrogen peroxide exposure. GRP78 induction is not correlated to species MLSP at the basal level or following hydrogen peroxide exposure. Therefore, these results suggest that HSP60 is a correlate of longevity in endothermic vertebrate species, but neither the glutathione antioxidant defense system, nor GRP78, correlates to species longevity.

Functional characterization on invertebrate and vertebrate tissues of tachykinin peptides from octopus venoms

It has been previously shown that octopus venoms contain novel tachykinin peptides that despite being isolated from an invertebrate, contain the motifs characteristic of vertebrate tachykinin peptides rather than being more like conventional invertebrate tachykinin peptides. Therefore, in this study we examined the effect of three variants of octopus venom tachykinin peptides on invertebrate and vertebrate tissues. While there were differential potencies between the three peptides, their relative effects were uniquely consistent between invertebrate and vertebrae tissue assays. The most potent form (OCT-TK-III) was not only the most anionically charged but also was the most structurally stable. These results not only reveal that the interaction of tachykinin peptides is more complex than previous structure–function theories envisioned, but also reinforce the fundamental premise that animal venoms are rich resources of novel bioactive molecules, which are useful investigational ligands and some of which may be useful as lead compounds for drug design and development.

Elements of the comparative anatomy of the vertebrate animals

UANL

Src family kinases are required for limb trajectory selection by spinal motor axons

Signal relay by guidance receptors at the axonal growth cone is a process essential for the assembly of a functional nervous system. We investigated the in vivo function of Src family kinases (SFKs) as growth cone guidance signaling intermediates in the context of spinal lateral motor column (LMC) motor axon projection toward the ventral or dorsal limb mesenchyme. Using in situ mRNA detection we determined that Src and Fyn are expressed in LMC motor neurons of chick and mouse embryos at the time of limb trajectory selection. Inhibition of SFK activity by C-terminal Src kinase (Csk) overexpression in chickLMCaxons using in ovo electroporation resulted inLMC axons selecting the inappropriate dorsoventral trajectory within the limb mesenchyme, with medial LMC axon projecting into the dorsal and ventral limb nerve with apparently random incidence. We also detected LMC axon trajectory choice errors in Src mutant mice demonstrating a nonredundant role for Src in motor axon guidance in agreement with gain and loss of Src function in chickLMCneurons which led to the redirection ofLMCaxons. Finally, Csk-mediated SFK inhibition attenuated the retargeting ofLMCaxons caused by EphA or EphB over-expression, implying the participation of SFKs in Eph-mediated LMC motor axon guidance. In summary, our findings demonstrate that SFKs are essential for motor axon guidance and suggest that they play an important role in relaying ephrin:Eph signals that mediate the selection of motor axon trajectory in the limb.

Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

Role of the homeodomain transcription factor Hoxa13 in embryonic development and formation of extra-embryonic structures

La famille des gènes Hox code pour des facteurs de transcription connus pour leur contribution essentielle à l’élaboration de l’architecture du corps et ce, au sein de tout le règne animal. Au cours de l’évolution chez les vertébrés, les gènes Hox ont été redéfinis pour générer toute une variété de nouveaux tissus/organes. Souvent, cette diversification s’est effectuée via des changements quant au contrôle transcriptionnel des gènes Hox. Chez les mammifères, la fonction de Hoxa13 n’est pas restreinte qu’à l’embryon même, mais s’avère également essentielle pour le développement de la vascularisation fœtale au sein du labyrinthe placentaire, suggérant ainsi que sa fonction au sein de cette structure aurait accompagné l’émergence des espèces placentaires. Au chapitre 2, nous mettons en lumière le recrutement de deux autres gènes Hoxa, soient Hoxa10 et Hoxa11, au compartiment extra-embryonnaire. Nous démontrons que l’expression de Hoxa10, Hoxa11 et Hoxa13 est requise au sein de l’allantoïde, précurseur du cordon ombilical et du système vasculaire fœtal au sein du labyrinthe placentaire. De façon intéressante, nous avons découvert que l’expression des gènes Hoxa10-13 dans l’allantoïde n’est pas restreinte qu’aux mammifères placentaires, mais est également présente chez un vertébré non-placentaire, indiquant que le recrutement des ces gènes dans l’allantoïde précède fort probablement l’émergence des espèces placentaires. Nous avons généré des réarrangements génétiques et utilisé des essais transgéniques pour étudier les mécanismes régulant l’expression des gènes Hoxa dans l’allantoïde. Nous avons identifié un fragment intergénique de 50 kb capable d’induire l’expression d’un gène rapporteur dans l’allantoïde. Cependant, nous avons trouvé que le mécanisme de régulation contrôlant l’expression du gène Hoxa au sein du compartiment extra-embryonnaire est fort complexe et repose sur plus qu’un seul élément cis-régulateur. Au chapitre 3, nous avons utilisé la cartographie génétique du destin cellulaire pour évaluer la contribution globale des cellules exprimant Hoxa13 aux différentes structures embryonnaires. Plus particulièrement, nous avons examiné plus en détail l’analyse de la cartographie du destin cellulaire de Hoxa13 dans les pattes antérieures en développement. Nous avons pu déterminer que, dans le squelette du membre, tous les éléments squelettiques de l’autopode (main), à l’exception de quelques cellules dans les éléments carpiens les plus proximaux, proviennent des cellules exprimant Hoxa13. En contraste, nous avons découvert que, au sein du compartiment musculaire, les cellules exprimant Hoxa13 et leurs descendantes (Hoxa13lin+) s’étendent à des domaines plus proximaux du membre, où ils contribuent à générer la plupart des masses musculaires de l’avant-bras et, en partie, du triceps. De façon intéressante, nous avons découvert que les cellules exprimant Hoxa13 et leurs descendantes ne sont pas distribuées uniformément parmi les différents muscles. Au sein d’une même masse musculaire, les fibres avec une contribution Hoxa13lin+ différente peuvent être identifiées et les fibres avec une contribution semblable sont souvent regroupées ensemble. Ce résultat évoque la possibilité que Hoxa13 soit impliqué dans la mise en place de caractéristiques spécifiques des groupes musculaires, ou la mise en place de connections nerf-muscle. Prises dans leur ensemble, les données ici présentées permettent de mieux comprendre le rôle de Hoxa13 au sein des compartiments embryonnaires et extra-embryonnaires. Par ailleurs, nos résultats seront d’une importance primordiale pour soutenir les futures études visant à expliquer les mécanismes transcriptionnels soutenant la régulation des gènes Hoxa dans les tissus extra-embryonnaires.

Adaptation transculturelle et validation du questionnaire Upper Limb Functional Index (ULFI) pour la population canadienne française

Les troubles musculo-squelettiques du membre supérieur (TMS-MS) peuvent avoir un impact négatif sur l'autonomie d’une personne. À ce jour, il n’existe pas d’outils en français évaluant les limitations d'activités et les restrictions de participation, disposant de bonnes propriétés métrologiques et d'applicabilité dans un contexte clinique marqué par des contraintes de temps. L’Upper Limb Functional Index (ULFI), qui présente de bonnes qualités métrologiques et applicabilité clinique adéquate, s'avère un outil intéressant pour les ergothérapeutes de par son approche centrée sur la personne. Toutefois, il n'était disponible qu'en anglais et en espagnol. La présente recherche, constituée de deux études, visait à adapter l’ULFI à la population canadienne française et à évaluer ses propriétés métrologiques et son applicabilité clinique. La première étude a examiné sa cohérence interne, sa validité convergente et son applicabilité clinique auprès de 50 patients bilingues atteints de TMS-MS. La seconde étude visait à analyser sa fidélité test-retest et sa sensibilité au changement auprès de 60 patients francophones. Les résultats ont révélé que l'ULFI-CF possède des propriétés métrologiques solides : une cohérence interne élevée (α de Cronbach = 0,93), une excellente fidélité test-retest (CCI = 0,87-0,95), une excellente validité convergente (r = 0,70-0,85) et une sensibilité au changement de bonne à excellente (tailles d'effet = 0,49-0,88 et r = 0,64 pour la section 1). L'ULFI-CF démontre également une bonne applicabilité clinique. En conclusion, l’ULFI-CF s’avère un outil pertinent pour les cliniciens œuvrant auprès d’une clientèle canadienne française souffrant d'un TMS-MS dans un contexte clinique marqué par des contraintes de temps.

Vertebrates Limb Geometry in the Simplex space

A novel metric comparison of the appendicular skeleton (fore and hind limb) of different vertebrates using the Compositional Data Analysis (CDA) methodological approach it’s presented. 355 specimens belonging in various taxa of Dinosauria (Sauropodomorpha, Theropoda, Ornithischia and Aves) and Mammalia (Prothotheria, Metatheria and Eutheria) were analyzed with CDA. A special focus has been put on Sauropodomorpha dinosaurs and the Aitchinson distance has been used as a measure of disparity in limb elements proportions to infer some aspects of functional morphology

Influence of vegetation on the nocturnal foraging behaviors and vertebrate prey capture by endangered Burrowing Owls

Restrictions in technology have limited past habitat selection studies for many species to the home-range level, as a finer-scale understanding was often not possible. Consequently, these studies may not identify the true mechanism driving habitat selection patterns, which may influence how such results are applied in conservation. We used GPS dataloggers with digital video recorders to identify foraging modes and locations in which endangered Burrowing Owls (Athene cunicularia) captured prey. We measured the coarse and fine-scale characteristics of vegetation at locations in which owls searched for, versus where they caught, vertebrate prey. Most prey items were caught using hover-hunting. Burrowing Owls searched for, and caught, vertebrate prey in all cover types, but were more likely to kill prey in areas with sparse and less dense vegetative cover. Management strategies designed to increase Burrowing Owl foraging success in the Canadian prairies should try to ensure a mosaic of vegetation heights across cover types.

Equatorial Kelvin waves as revealed by EOS Microwave Limb Sounder observations and European Centre for Medium-Range Weather Forecasts analyses: Evidence for slow Kelvin waves of zonal wave number 3

[1] Temperature and ozone observations from the Microwave Limb Sounder (MLS) on the EOS Aura satellite are used to study equatorial wave activity in the autumn of 2005. In contrast to previous observations for the same season in other years, the temperature anomalies in the middle and lower tropical stratosphere are found to be characterized by a strong wave-like eastward progression with zonal wave number equal to 3. Extended empirical orthogonal function (EOF) analysis reveals that the wave 3 components detected in the temperature anomalies correspond to a slow Kelvin wave with a period of 8 days and a phase speed of 19 m/s. Fluctuations associated with this Kelvin wave mode are also apparent in ozone profiles. Moreover, as expected by linear theory, the ozone fluctuations observed in the lower stratosphere are in phase with the temperature perturbations, and peak around 20–30 hPa where the mean ozone mixing ratios have the steepest vertical gradient. A search for other Kelvin wave modes has also been made using both the MLS observations and the analyses from one experiment where MLS ozone profiles are assimilated into the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) data assimilation system via a 6-hourly 3D var scheme. Our results show that the characteristics of the wave activity detected in the ECMWF temperature and ozone analyses are in good agreement with MLS data.

Four-dimensional variational assimilation of ozone profiles from the Microwave Limb Sounder on the Aura satellite

Ozone profiles from the Microwave Limb Sounder (MLS) onboard the Aura satellite of the NASA's Earth Observing System (EOS) were experimentally added to the European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF) four-dimensional variational (4D-var) data assimilation system of version CY30R1, in which total ozone columns from Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric CHartographY (SCIAMACHY) onboard the Envisat satellite and partial profiles from the Solar Backscatter Ultraviolet (SBUV/2) instrument onboard the NOAA-16 satellite have been operationally assimilated. As shown by results for the autumn of 2005, additional constraints from MLS data significantly improved the agreement of the analyzed ozone fields with independent observations throughout most of the stratosphere, owing to the daily near-global coverage and good vertical resolution of MLS observations. The largest impacts were seen in the middle and lower stratosphere, where model deficiencies could not be effectively corrected by the operational observations without the additional information on the ozone vertical distribution provided by MLS. Even in the upper stratosphere, where ozone concentrations are mainly determined by rapid chemical processes, dense and vertically resolved MLS data helped reduce the biases related to model deficiencies. These improvements resulted in a more realistic and consistent description of spatial and temporal variations in stratospheric ozone, as demonstrated by cases in the dynamically and chemically active regions. However, combined assimilation of the often discrepant ozone observations might lead to underestimation of tropospheric ozone. In addition, model deficiencies induced large biases in the upper stratosphere in the medium-range (5-day) ozone forecasts.

High Resolution Dynamics Limb Sounder measurements of gravity wave activity in the 2006 Arctic stratosphere

Observations from the High Resolution Dynamics Limb Sounder (HIRDLS) instrument on NASA's Aura satellite are used to quantify gravity wave momentum fluxes in the middle atmosphere. The period around the 2006 Arctic sudden stratospheric warming (SSW) is investigated, during which a substantial elevation of the stratopause occurred. Analysis of the HIRDLS results, together with analysis of European Centre for Medium-Range Weather Forecasting zonal winds, provide direct evidence of wind filtering of the gravity wave spectrum during this period. This confirms previous hypotheses from model studies and further contributes to our understanding of the effects of gravity wave driving on the winter polar stratopause.

Expression of FoxC, FoxF, FoxL1, and FoxQ1 genes in the dogfish scyliorhinus canicula defines ancient and derived roles for fox genes in vertebrate development

In the human genome, members of the FoxC, FoxF, FoxL1, and FoxQ1 gene families are found in two paralagous clusters. Here we characterize all four gene families in the dogfish Seyliorhinus canicula, a member of the cartilaginous fish lineage that diverged before the radiation of osteichthyan vertebrates. We identify two FoxC genes, two FoxF genes, and single FoxQ1 and FoxL1 genes, demonstrating cluster duplication preceded the radiation of gnathostomes. The expression of all six genes was analyzed by in situ hybridization. The results show conserved expression of FoxL1, FoxF, and FoxC genes in different compartments of the mesoderm and of FoxQ1 in pharyngeal endoderm and its derivatives, confirming these as ancient sites of Fox gene expression, and also illustrate multiple cases of lineage-specific expression domains. Comparison to invertebrate chordates shows that the majority of conserved vertebrate expression domains mark tissues that are part of the primitive chordate body plan.

Genetic evidence of frequent long-distance recruitment in a vertebrate-dispersed tree

The importance of dispersal for the maintenance of biodiversity, while long-recognized, has remained unresolved. We used molecular markers to measure effective dispersal in a natural population of the vertebrate-dispersed Neotropical tree, Simarouba amara (Simaroubaceae) by comparing the distances between maternal parents and their offspring and comparing gene movement via seed and pollen in the 50 ha plot of the Barro Colorado Island forest, Central Panama. In all cases (parent-pair, mother-offspring, father-offspring, sib-sib) distances between related pairs were significantly greater than distances to nearest possible neighbours within each category. Long-distance seedling establishment was frequent: 74% of assigned seedlings established > 100 m from the maternal parent [mean = 392 +/- 234.6 m (SD), range = 9.3-1000.5 m] and pollen-mediated gene flow was comparable to that of seed [mean = 345.0 +/- 157.7 m (SD), range 57.6-739.7 m]. For S. amara we found approximately a 10-fold difference between distances estimated by inverse modelling and mean seedling recruitment distances (39 m vs. 392 m). Our findings have important implications for future studies in forest demography and regeneration, with most seedlings establishing at distances far exceeding those demonstrated by negative density-dependent effects.