Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Étude de la fonction de la protéine RPAP4 et de son association avec l’ARN polymérase II

L’ARN polymérase II (ARNPII), l’enzyme responsable de la transcription des ARN messagers, procède au décodage du génome des organismes vivants. Cette fonction requiert l’action concertée de plusieurs protéines, les facteurs généraux de la transcription, par exemple, formant un réseau d’interactions protéine-protéine, plusieurs étant impliquées dans la régulation de l’ARNPII à différents niveaux. La régulation de la transcription a été largement étudiée durant les quatre dernières décennies. Néanmoins, nous en connaissons peu sur les mécanismes qui régulent l’ARNPII avant ou après la transcription. Dans la première partie de cette thèse, nous poursuivons la caractérisation du réseau d’interactions de l’ARNPII dans la fraction soluble de la cellule humaine, travail qui a débuté précédemment dans notre laboratoire. Ce réseau, développé à partir de la méthode de la purification d’affinité en tandem couplée à la spectrométrie de masse (AP-MS) et à des méthodes d’analyses bioinformatiques, nous amène une foule d’informations concernant la régulation de l’ARNPII avant et après son interaction avec la chromatine. Nous y identifions des protéines qui pourraient participer à l’assemblage de l’ARNPII telles des chaperonnes et les protéines du complexe R2TP/prefoldin-like ainsi que des protéines impliquées dans le transport nucléocytoplasmique. Au centre de ce réseau se trouvent RPAP4, une GTPase qui semble se positionner à l’interface entre ces protéines régulatrices et l’ARNPII. Nous avons donc entamé l’étude la fonction de RPAP4, ce qui nous a menés à la conclusion que RPAP4 est essentielle à l’import nucléaire de l’ARNPII au noyau, où elle exerce sa fonction. Nous avons également montré que les motifs G et GPN sont essentiels à la fonction de RPAP4. Le traitement des cellules avec le bénomyl nous montre aussi que la fonction de RPAP4 et l’import nucléaire de l’ARNPII requièrent l’action des microtubules. La deuxième partie de la thèse s’intéresse à une autre protéine positionnée au centre du réseau, RPAP2. Cette dernière partage plusieurs interactions avec RPAP4. Elle est aussi essentielle à la localisation nucléaire de l’ARNPII et interagit directement avec celle-ci. RPAP4 et RPAP2 étant toutes deux des protéines cytoplasmiques qui font la navette entre le noyau et le cytoplasme, nous présentons des évidences que RPAP4 est impliquée dans l’export nucléaire de RPAP2 pour permettre à celle-ci d’être disponible dans le cytoplasme pour l’import de l’ARNPII dans le noyau. Dans la troisième partie de la thèse, nous étudions plus en profondeur les modifications post-traductionnelles de RPAP4, ce qui nous aide à mieux comprendre sa propre régulation et sa fonction auprès de l’ARNPII. RPAP4 est phosphorylée en mitose par la MAP kinase ERK5. Cette phosphorylation favorise l’interaction entre RPAP4 et RPAP2, ce qui empêche RPAP2 d’interagir avec l’ARNPII pendant la mitose, prévenant du même coup, son interaction avec la chromatine pendant cette phase du cycle cellulaire où la transcription est presque inexistante.

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.

Follistatin complexes Myostatin and antagonises Myostatin-mediated inhibition of myogenesis

Follistatin is known to antagonise the function of several members of the TGF-beta family of secreted signalling factors, including Myostatin, the most powerful inhibitor of muscle growth characterised to date. In this study, we compare the expression of Myostatin and Follistatin during chick development and show that they are expressed in the vicinity or in overlapping domains to suggest possible interaction during muscle development. We performed yeast and mammalian two-hybrid studies and show that Myostatin and Follistatin interact directly. We further show that single modules of the Follistatin protein cannot associate with Myostatin suggesting that the entire protein is required for the interaction. We analysed the interaction kinetics of the two proteins and found that Follistatin binds Myostatin with a high affinity of 5.84 x 10(-10) M. We next tested whether Follistatin suppresses Myostatin activity during muscle development. We confirmed our previous observation that treatment of chick limb buds with Myostatin results in a severe decrease in the expression of two key myogenic regulatory genes Pax-3 and MyoD. However, in the presence of Follistatin, the Myostatin-mediated inhibition of Pax-3 and MyoD expression is blocked. We additionally show that Myostatin inhibits terminal differentiation of muscle cells in high-density cell cultures of limb mesenchyme (micromass) and that Follistatin rescues muscle differentiation in a concentration-dependent manner. In summary, our data suggest that Follistatin antagonises Myostatin by direct protein interaction, which prevents Myostatin from executing its inhibitory effect on muscle development. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Effects of lactoperoxidase and hydrogen peroxide on rheological properties of yoghurt

The effects of activation of the lactoperoxidase (LPO) system by H2O2-NaSCN and hydrogen peroxide (H2O2) on the accessibility of sulphydryl groups (SH) in skimmed milk, and on the dynamic rheological properties of the resulting yoghurt were investigated. Four different concentrations of each reagent (20-80 mg H2O2-NaSCN/kg milk and 100-400 mg H2O2/kg milk) were compared. Clear negative correlations were noted between the accessibility of SH groups and both LPO activation rate and H2O2 concentration. Also the native PAGE pattern of the heat-treated samples showed that with increase in the H2O2-NaSCN and H2O2 concentrations, the level of interaction between beta-lactoglobulin (beta-Ig) and kappa-casein (K-CN) decreased. The complex modulus (G*) of skimmed milk yoghurts declined gradually with the decrease in the concentration of accessible SH groups accordingly. Tan delta values of yoghurt samples were found to be different from the control, but close to each other, indicating that protein interaction forces taking place in the formation of gel networks of treated yoghurts were different from the control.

Influence of SNPs in nutrient-sensitive candidate genes and gene–diet interactions on blood lipids: the DiOGenes study

Blood lipid response to a given dietary intervention could be determined by the effect of diet, gene variants or gene–diet interactions. The objective of the present study was to investigate whether variants in presumed nutrient-sensitive genes involved in lipid metabolism modified lipid profile after weight loss and in response to a given diet, among overweight European adults participating in the Diet Obesity and Genes study. By multiple linear regressions, 240 SNPs in twenty-four candidate genes were investigated for SNP main and SNP–diet interaction effects on total cholesterol, LDL-cholesterol, HDL-cholesterol and TAG after an 8-week low-energy diet (only main effect), and a 6-month ad libitum weight maintenance diet, with different contents of dietary protein or glycaemic index. After adjusting for multiple testing, a SNP–dietary protein interaction effect on TAG was identified for lipin 1 (LPIN1) rs4315495, with a decrease in TAG of − 0·26 mmol/l per A-allele/protein unit (95 % CI − 0·38, − 0·14, P= 0·000043). In conclusion, we investigated SNP–diet interactions for blood lipid profiles for 240 SNPs in twenty-four candidate genes, selected for their involvement in lipid metabolism pathways, and identified one significant interaction between LPIN1 rs4315495 and dietary protein for TAG concentration.

Analyses of single nucleotide polymorphisms in selected nutrient-sensitive genes in weight-regain prevention: the DIOGENES study

BACKGROUND: Differences in the interindividual response to dietary intervention could be modified by genetic variation in nutrient-sensitive genes. OBJECTIVE: This study examined single nucleotide polymorphisms (SNPs) in presumed nutrient-sensitive candidate genes for obesity and obesity-related diseases for main and dietary interaction effects on weight, waist circumference, and fat mass regain over 6 mo. DESIGN: In total, 742 participants who had lost ≥ 8% of their initial body weight were randomly assigned to follow 1 of 5 different ad libitum diets with different glycemic indexes and contents of dietary protein. The SNP main and SNP-diet interaction effects were analyzed by using linear regression models, corrected for multiple testing by using Bonferroni correction and evaluated by using quantile-quantile (Q-Q) plots. RESULTS: After correction for multiple testing, none of the SNPs were significantly associated with weight, waist circumference, or fat mass regain. Q-Q plots showed that ALOX5AP rs4769873 showed a higher observed than predicted P value for the association with less waist circumference regain over 6 mo (-3.1 cm/allele; 95% CI: -4.6, -1.6; P/Bonferroni-corrected P = 0.000039/0.076), independently of diet. Additional associations were identified by using Q-Q plots for SNPs in ALOX5AP, TNF, and KCNJ11 for main effects; in LPL and TUB for glycemic index interaction effects on waist circumference regain; in GHRL, CCK, MLXIPL, and LEPR on weight; in PPARC1A, PCK2, ALOX5AP, PYY, and ADRB3 on waist circumference; and in PPARD, FABP1, PLAUR, and LPIN1 on fat mass regain for dietary protein interaction. CONCLUSION: The observed effects of SNP-diet interactions on weight, waist, and fat mass regain suggest that genetic variation in nutrient-sensitive genes can modify the response to diet. This trial was registered at clinicaltrials.gov as NCT00390637.

Identification of novel cholesteatoma-related gene expression signatures using full-genome microarrays

This study demonstrates that the expression profile of cholesteatoma is similar to a metastatic tumour and chronically inflamed tissue. Based on the investigated profiles we present novel protein-protein interaction and signal transduction networks, which include cholesteatoma-regulated transcripts and may be of great value for drug targeting and therapy development.

Genetic diversity at the Dhn3 locus in Turkish Hordeum spontaneum populations with comparative structural analyses

We analysed Hordeum spontaneum accessions from 21 different locations to understand the genetic diversity of HsDhn3 alleles and effects of single base mutations on the intrinsically disordered structure of the resulting polypeptide (HsDHN3). HsDHN3 was found to be YSK2-type with a low-frequency 6-aa deletion in the beginning of Exon 1. There is relatively high diversity in the intron region of HsDhn3 compared to the two exon regions. We have found subtle differences in K segments led to changes in amino acids chemical properties. Predictions for protein interaction profiles suggest the presence of a protein-binding site in HsDHN3 that coincides with the K1 segment. Comparison of DHN3 to closely related cereals showed that all of them contain a nuclear localization signal sequence flanking to the K1 segment and a novel conserved region located between the S and K1 segments [E(D/T)DGMGGR]. We found that H. vulgare, H. spontaneum, and Triticum urartu DHN3s have a greater number of phosphorylation sites for protein kinase C than other cereal species, which may be related to stress adaptation. Our results show that the nature and extent of mutations in the conserved segments of K1 and K2 are likely to be key factors in protection of cells.

Combining structure and dynamics: non-denaturing high-pressure effect on lysozyme in solution

Small-angle X-ray scattering (SAXS) and elastic and quasi-elastic neutron scattering techniques were used to investigate the high-pressure-induced changes on interactions, the low-resolution structure and the dynamics of lysozyme in solution. SAXS data, analysed using a global-fit procedure based on a new approach for hydrated protein form factor description, indicate that lysozyme completely maintains its globular structure up to 1500 bar, but significant modi. cations in the protein-protein interaction potential occur at approximately 600-1000 bar. Moreover, the mass density of the protein hydration water shows a clear discontinuity within this pressure range. Neutron scattering experiments indicate that the global and the local lysozyme dynamics change at a similar threshold pressure. A clear evolution of the internal protein dynamics from diffusing to more localized motions has also been probed. Protein structure and dynamics results have then been discussed in the context of protein-water interface and hydration water dynamics. According to SAXS results, the new configuration of water in the first hydration layer induced by pressure is suggested to be at the origin of the observed local mobility changes.

Comparison of the interactomic networks of different species in terms of accessibility

Protein-protein interaction networks were investigated in terms of outward accessibility, which quantifies the effectiveness of each protein in accessing other proteins and is related to the internality of nodes. By comparing the accessibility between 144 ortholog proteins in yeast and the fruit fly, we found that the accessibility tends to be higher among proteins in the fly than in yeast. In addition, z-scores of the accessibility calculated for different species revealed that the protein networks of less evolved species tend to be more random than those of more evolved species. The accessibility was also used to identify the border of the yeast protein interaction network, which was found to be mainly composed of viable proteins.

Seeking for simplicity in complex networks

Complex networks can be understood as graphs whose connectivity properties deviate from those of regular or near-regular graphs, which are understood as being ""simple"". While a great deal of the attention so far dedicated to complex networks has been duly driven by the ""complex"" nature of these structures, in this work we address the identification of their simplicity. The basic idea is to seek for subgraphs whose nodes exhibit similar measurements. This approach paves the way for complementing the characterization of networks, including results suggesting that the protein-protein interaction networks, and to a lesser extent also the Internet, may be getting simpler over time. Copyright (C) EPLA, 2009

Structural stability and reversible unfolding of recombinant porcine S100A12

Porcine S100A12 is a member of the S100 proteins, family of small acidic calcium-binding proteins characterized by the presence of two EF-hand motifs. These proteins are involved in many cellular events such as the regulation of protein phosphorylation, enzymatic activity, protein-protein interaction, Ca(2+) homeostasis, inflammatory processes and intermediate filament polymerization. In addition, members of this family bind Zn(2+) or Ca(2+) with cooperative effect on binding. In this study, the gene sequence encoding porcine S100A12 was obtained by the synthetic gene approach using E. coli codon bias. Additionally, we report a thermodynamic study of the recombinant S100A12 using circular dichroism, fluorescence and isothermal titration calorimetry. The results of urea and temperature induced unfolding and refolding processes indicated a reversible two-state process. Also, the ANS fluorescence studies showed that in presence of divalent ions the protein exposes hydrophobic sites which could facilitate the interaction with other proteins and trigger the physiological responses. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.