Sampling strategies for characterization of neuropeptides using mass spectrometry and functional implications into cell-cell signaling

In this dissertation, there are developed different analytical strategies to discover and characterize mammalian brain peptides using small amount of tissues. The magnocellular neurons of rat supraoptic nucleus in tissue and cell culture served as the main model to study neuropeptides, in addition to hippocampal neurons and mouse embryonic pituitaries. The neuropeptidomcis studies described here use different extraction methods on tissue or cell culture combined with mass spectrometry (MS) techniques, matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) and electrospray ionization (ESI). These strategies lead to the identification of multiple peptides from the rat/mouse brain in tissue and cell cultures, including novel compounds One of the goals in this dissertation was to optimize sample preparations on samples isolated from well-defined brain regions for mass spectrometric analysis. Here, the neuropeptidomics study of the SON resulted in the identification of 85 peptides, including 20 unique peptides from known prohormones. This study includes mass spectrometric analysis even from individually isolated magnocellular neuroendocrine cells, where vasopressin and several other peptides are detected. At the same time, it was shown that the same approach could be applied to analyze peptides isolated from a similar hypothalamic region, the suprachiasmatic nucleus (SCN). Although there were some overlaps regarding the detection of the peptides in the two brain nuclei, different peptides were detected specific to each nucleus. Among other peptides, provasopressin fragments were specifically detected in the SON while angiotensin I, somatostatin-14, neurokinin B, galanin, and vasoactive-intestinal peptide (VIP) were detected in the SCN only. Lists of peptides were generated from both brain regions for comparison of the peptidome of SON and SCN nuclei. Moving from analysis of magnocellular neurons in tissue to cell culture, the direct peptidomics of the magnocellular and hippocampal neurons led to the detection of 10 peaks that were assigned to previously characterized peptides and 17 peaks that remain unassigned. Peptides from the vasopressin prohormone and secretogranin-2 are attributed to magnocellular neurons, whereas neurokinin A, peptide J, and neurokinin B are attributed to cultured hippocampal neurons. This approach enabled the elucidation of cell-specific prohormone processing and the discovery of cell-cell signaling peptides. The peptides with roles in the development of the pituitary were analyzed using transgenic mice. Hes1 KO is a genetically modified mouse that lives only e18.5 (embryonic days). Anterior pituitaries of Hes1 null mice exhibit hypoplasia due to increased cell death and reduced proliferation and in the intermediate lobe, the cells differentiate abnormally into somatotropes instead of melanotropes. These previous findings demonstrate that Hes1 has multiple roles in pituitary development, cell differentiation, and cell fate. AVP was detected in all samples. Interestingly, somatostatin [92-100] and provasopressin [151-168] were detected in the mutant but not in the wild type or heterozygous pituitaries while somatostatin-14 was detected only in the heterozygous pituitary. In addition, the putative peptide corresponding to m/z 1330.2 and POMC [205-222] are detected in the mutant and heterozygous pituitaries, but not in the wild type. These results indicate that Hes1 influences the processing of different prohormones having possible roles during development and opens new directions for further developmental studies. This research demonstrates the robust capabilities of MS, which ensures the unbiased direct analysis of peptides extracted from complex biological systems and allows addressing important questions to understand cell-cell signaling in the brain.

Involvement of Beta-arrestin 1 and Beta-arrestin 2 in store operated calcium entry

Résumé : La variation de la [Ca2+] intracellulaire participe à nombreux de processus biologiques. Les cellules eucaryotes expriment à la membrane plasmique une variété de canaux par lesquelles le calcium peut entrer. Dans les cellules non excitables, deux mécanismes principaux permettent l'entrée calcique; l'entrée capacitative de Ca2+ via Orai1 (SOCE) et l'entrée calcique activé par un récepteur (ROCE). Plusieurs protéines clés sont impliquées dans la régulation de ces voies d'entrée calcique, ainsi que dans l'homéostasie calcique. TRPC6 est un canal calcique impliquée dans l'entrée calcique dans les cellules à la suite d’une stimulation d’un récepteur hormonal. TRPC6 transloque à la membrane cellulaire et il y demeure jusqu'à ce que le stimulus soit retiré. Les mécanismes qui régulent le trafic et l'activation de TRPC6 sont cependant encore peu connus. Des découvertes récentes ont démontré qu'il y a un rôle potentiel de Rho kinase dans l'activité de TRPC6. Rho kinase est activée par la petite protéine G RhoA qui peut être activée par les protéines G hétérotrimériques Gα12 et Gα13. En plus de Gα12 et Gα13, les protéines de désensibilisation des GPCR β -arrestin 1 et / ou β-arrestin 2 peuvent aussi activer RhoA. Le but de notre étude est d'examiner la participation des protéines Gα12/13 et β-arrestin 1/ β-arrestin 2 dans l'activation de TRPC6 et de la protéine Orai1. Nous avons utilisé des ARN interférant (siRNA) spécifiques pour induire une réduction de l'expression de Gα12/13 ou β-arrestin 1/β-arrestin 2. La conséquence sur l’entrée de Ca2+ dans les cellules a été ensuite déterminée par imagerie calcique en temps réel suite à une stimulation par la vasopressine (AVP), thapsigargin ou carbachol. Nous avons donc identifié que dans des cellules A7r5, une lignée cellulaire de musculaires lisses vasculaires où le canal TRPC6 exprimé de manière endogène, la diminution de l’expression des protéines Gα12 ou Gα13 ne semble pas modifier l’entrée Ca2+ induit par l’AVP par rapport aux cellules témoins. D'autre part, la diminution de l’expression β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 dans des cellules HEK 293 ainsi que des cellules HEK 293 exprimant de façon stable TRPC6 (cellules T6.11) ont augmenté l’entrée de Ca2+ induite par thapsigargin, un activateur pharmacologique de SOCE. Des études de co-immunoprécipitation démontrent une interaction entre la β-arrestin 1 et STIM1, alors qu'aucune interaction n'a été observée entre les β-arrestin 1 et Orai1. Nous avons de plus montré à l'aide d'analyse en microscopie confocale que la diminution de l’expression β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 n’influence pas la quantité d’Orai1 à la périphérie cellulaire. Cependant, des résultats préliminaires indiquent que la diminution de l’expression β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 augmente la quantité de STIM1-YFP dans l'espace intracellulaire et diminue sa quantité à la périphérie cellulaire. En conclusion, nous avons montré que les β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 sont impliquées dans l'entrée capacitative de Ca2+ (SOCE) et contrôlent la quantité de STIM1 dans le réticulum endoplasmique.