Localization of monoterpenoid indole alkaloid (MIA) biosynthesis by in situ hybridization (ISH)

Monoterpenoid indole alkaloids (MIA) are among the largest and most complex group of nitrogen containing secondary metabolites that are characteristic of the Apocynaceae plant family including the most notable Catharanthus roseus. These compounds have demonstrated activity as successful drugs for treating various cancers, neurological disorders and cardiovascular conditions. Due to the low yields of these compounds and high pharmacological value, their biosynthesis is a major topic of study. Previous work highlighting the leaf epidermis and leaf surface as a highly active area in MIA biosynthesis and MIA accumulation has made the epidermis a major focus of this thesis. This thesis provides an in-depth analysis of the valuable technique of RNA in situ hybridization (ISH) and demonstrates the application of the technique to analyze the location of the biosynthetic steps involved in the production of MIAs. The work presented in this thesis demonstrates that most of the MIAs of Eurasian Vinca minor, African Tabernaemontana e/egans and five Amsonia species, including North American Amsonia hubrichitii and Mediterranean A. orienta/is, accumulate in leaf wax exudates, while the rest of the leaf is almost devoid of alkaloids. Biochemical studies on Vinca minor displayed high tryptophan decarboxylase (TOe) enzyme activity and protein expression in the leaf epidermis compared to whole leaves. ISH studies aimed at localizing TOe and strictosidine synthase suggest the upper and lower epidermis of V. minor and T. e/egans as probable significant production sites for MIAs that will accumulate on the leaf surface, however the results don't eliminate the possibility of the involvement of other cell types. The monoterpenoid precursor to all MIAs, secologanin, is produced through the MEP pathway occurring in two cell types, the IPAP cells (Gl0H) and epidermal cells (LAMT and SLS). The work presented in this thesis, localizes a novel enzymatic step, UDPG-7-deoxyloganetic acid glucosyltransferase (UGT8) to the IPAP cells of Catharanthus longifolius. These results enable the suggestion that all steps from Gl0H up to and including UGT8 occur in the IPAP cells of the leaf, making the IPAP cells the main site for the majority of secologanin biosynthesis. It also makes the IPAP cells a likely cell type to begin searching for the gene of the uncharacterized steps between Gl0H and UGT8. It also narrows the compound to be transported from the IPAP cells to either 7-deoxyloganic acid or loganic acid, which aids in the identification of the transportation mechanism.

A mechanism for co-transcriptional recruitment of mRNA localization factor on nascent mRNAs in budding yeast

Le transport et la localisation des ARN messagers permettent de réguler l’expression spatiale et temporelle de facteurs spécifiques impliqués dans la détermination du destin cellulaire, la plasticité synaptique, la polarité cellulaire et la division asymétrique des cellules. Chez S.cerevisiæ, plus de trente transcrits sont transportés activement vers le bourgeon cellulaire. Parmi ces transcrits, l’ARNm ASH1 (asymetric synthesis of HO) est localisé à l’extrémité du bourgeon pendant l’anaphase. Ce processus va entrainer une localisation asymétrique de la protéine Ash1p, qui sera importée uniquement dans le noyau de la cellule fille, où elle entraine le changement de type sexuel. La localisation asymétrique de l’ARNm ASH1, et donc de Ash1p, implique la présence de différents facteurs de localisation. Parmi ces facteurs, les protéines She (She1p/Myo4p, She2p et She3p) et les répresseurs traductionnels (Puf6p, Loc1p et Khd1p) participent à ce mécanisme. La protéine navette She2p est capable de lier l’ARNm ASH1 et va entrainer le ciblage de cet ARNm vers l’extrémité du bourgeon en recrutant le complexe She3p-Myo4p. Des répresseurs traductionnels régulent la traduction de cet ARNm et évitent l’expression ectopique de la protéine Ash1p pendant son transport. Alors que la fonction cytoplasmique de She2p sur la localisation des ARNm est connue, sa fonction nucléaire est encore inconnue. Nous avons montré que She2p contient une séquence de localisation nucléaire non classique qui est essentielle à son import nucléaire médié par l’importine α (Srp1p). L’exclusion de She2p du noyau par mutation de son NLS empêche la liaison de Loc1p et Puf6p sur l’ARNm ASH1, entrainant un défaut de localisation de l’ARNm et de la protéine. Pour étudier plus en détail l’assemblage de la machinerie de localisation des ARNm dans le noyau, nous avons utilisé des techniques d’immunoprécipitation de chromatine afin de suivre le recrutement des facteurs de localisation et des répresseurs traductionnels sur les ARNm naissants. Nous avons montré que She2p est recruté sur le gène ASH1 pendant sa transcription, via son interaction avec l’ARNm ASH1 naissant. Puf6p est également recruté sur ASH1, mais d’une manière dépendante de la présence de She2p. De façon intéressante, nous avons détecté une interaction entre She2p et la plus grande sous-unité de l’ARN polymérase II (Rpb1p). Cette interaction est détectée avec la forme active en élongation de l’ARN polymérase II. Nous avons également démontré que She2p interagit avec le complexe d’élongation de la transcription Spt4p/Spt5p. Une délétion de SPT4 ou une mutation dans SPT5 (Ts spt5) à température restrictive empêche l’interaction entre She2p et Rpb1p, et diminue le recrutement de She2p au gène ASH1, entrainant un défaut de localisation de l’ARNm et un défaut de localisation asymétrique de la protéine Ash1p. De manière globale, nos résultats montrent que les facteurs impliqués dans la localisation cytoplasmique des ARNm et dans leur contrôle traductionnel sont recrutés de façon co-transcriptionnelle sur les ARNm naissants via leur interaction avec la machinerie de transcription, suggèrant un rôle important de la machinerie transcriptionelle dans la localisation des ARNm.

An examination of the effects of 4E-T-mediated re-localization of eIF4E on eIF4E function

Le facteur d'initiation de la traduction chez les eukaryotes eIF4E (4E) est un puissant oncogène en raison de sa capacité à faciliter l'export et/ou la traduction de certains transcripts, dont beaucoup sont eux-mêmes des oncogènes. 4E intéragit avec un grand nombre de protéines régulatrices dont la protéine 4E-T (pour 4E-Transporter). La capacité de 4E-T à modifier la localisation subcellulaire de 4E pourrait offrir un mécanisme permettant de modifier le potentiel oncogène d'une cellule. La surexpression de 4E-T dans des cellules d'ostéosarcome conduit à l’augmentation du nombre et de la taille des P-bodies, dans lesquels 4E colocalisent avec 4E-T mais pas avec la version tronquée 4E-T/Y30A. Cependant, les différentes expériences menées, permettant d’analyser les taux de transcription, la quantité de protéine, les profiles polysomiques ainsi que la distribution nucléo-cytoplasmique, montrent que la surexpression de 4E-T n'a pas d'effet sur la fonction de 4E. L'observation d’un enrichissement cytoplasmique et d’une charge réduite de ribosomes sur les transcripts codant les protéines cycline D1 et ODC (profile polysomique) dans la lignée 4E-T suggère un role de 4E-T dans la séquestration cytoplasmique de certains transcrips par un mécanisme qui reste encore à déterminer.

Study of the subcellular localization of cell cycle regulator Cks1 and its impact on cancer

La progression dans le cycle cellulaire est contrôlée par de vagues oscillantes de cyclines et des kinases cycline-dépendantes (Cdk). Ces kinases sont régulées positivement par l’association des sous-unités cyclines régulatrices et négativement en se liant aux inhibiteurs de Cdk. Parmi ces derniers, p27 inhibe tous les complexes cycline-Cdk quelle que soit la phase cellulaire et agit en tant que régulateur négatif principal de la prolifération cellulaire dans une variété de cellules et de tissus. Intrinsèquement, p27 phosphorylé est ubiquitiné et dégradé par le complexe SCFSkp2-Cks1. Des études génétiques de la souris, ainsi que des examens cliniques chez l’homme, ont montré que p27 est un important suppresseur de tumeur. Le gène est rarement muté. Cependant, p27 est fréquemment réprimé dans les cancers humains en raison d’une augmentation de l’expression de Skp2 et de Cks1 dans le noyau, ce qui est généralement associée à un mauvais pronostic. La localisation subcellulaire de Cks1 est donc d'une importance primordiale dans le contrôle de la prolifération cellulaire. Les résultats récents de notre laboratoire ont montré une interaction entre Cks1 et les protéines de transport nucléaire importine α1 et β3. Aussi, l’analyse de la séquence primaire de Cks1 a également révélé un signal de localisation nucléaire classique (NLS) à son extrémité C-terminale. Des mutations ont été effectuées sur le NLS suspect pour déterminer si oui ou non l'import nucléaire de Cks1 était contrôlé par cette séquence. Un inhibiteur synthétique de l’importine β a également été utilisé pour étudier l’import de Cks1 dans le noyau. Les résultats indiquent que l’extrémité C-terminale de Cks1 est en effet un NLS puisque les mutations de Cks1 et l'inhibition de l’importine β conduisent, tous deux, à l'accumulation de Cks1 dans le cytoplasme. Ces résultats ont été utiles pour mieux comprendre le mécanisme régulant la localisation de Cks1. Toutefois, des travaux futurs sont nécessaires pour mieux comprendre l'impact de la séquestration cytoplasmique de Cks1 sur le cancer et ainsi espérer aboutir à l'identification de nouvelles cibles pharmacologiques impliqués dans la prolifération cellulaire.

Localization and function of the endocannabinoid system throughout the retinogeniculate pathway of vervet monkeys

Le système endocannabinoïde (eCB) est présent dans le système nerveux central (SNC) de mammifères, incluant la rétine, et est responsable de la régulation de nombreux processus physiologiques. Bien que la présence du récepteur cannabinoïde de type 1 (CB1R) a bien été documenté dans la rétine de rongeurs et primates, il y a encore une controverse quant à la présence du récepteur cannabinoïde de type 2 (CB2R) au niveau du SNC. En utilisant la microscopie confocale, nous sommes les premiers à signaler les patrons d’expression du CB2R dans la rétine de singe. Nos résultats démontrent que le CB2R est exprimé exclusivement dans les cellules de Müller de la rétine du singe. En outre, nous avons comparé les différents patrons d’expression du système eCB dans la rétine de la souris, du toupaye, ainsi que du singe vervet et macaque. Nous rapportons que les distributions de CB1R, FAAH (fatty acid amid hydrolase), MAGL (monoacylglycerol lipase) et DAGLα (diacylglycerol lipase alpha) sont hautement conservées parmi ces espèces alors que CB2R et NAPE-PLD (N-acyl phosphatidylethanolamine phospholipase D) présentent différents profils d'expression. CB2R n'a pas été détecté dans les cellules neuronales de la rétine des primates. L’immunoréactivité de NAPE-PLD est présente dans les couches de la rétine de souris et toupayes, mais a été limitée à la couche des photorécepteurs des singes vervet et macaque. Pour étudier les corrélats neuronaux et le rôle de la signalisation du système eCB dans la rétine, nous avons établi un protocole standard pour l'électrorétinographie (ERG), puis enregistré la réponse ERG de la rétine après le blocage des récepteurs avec des antagonistes spécifiques pour CB1R (AM251) et CB2R (AM630). Comparé au témoin, dans des conditions photopiques, et à certaines intensités faibles du stimulus, le blocage de CB1R diminue l'amplitude de l'onde-b, alors qu’à des intensités plus élevées, le blocage de CB2R augmente l'amplitude des deux-ondes a et b. De plus, le blocage des récepteurs cannabinoïdes provoque une augmentation de la latence des deux ondes a et b. Dans des conditions d’adaptation à l'obscurité, le blocage de CB1R et CB2R réduit l’amplitudes de l'onde a seulement à des intensités plus élevées et réduit l’onde b à intensités plus faibles. Des augmentations significatives de latence ont été observées dans les deux cas. Ces résultats indiquent que les récepteurs CB1 et CB2 chez les primates non humains sont impliqués dans la fonction rétinienne conditions photopiques. En outre, nous avons évalué le profil d'expression du CB1R, de FAAH et de NAPE-PLD au-delà de la rétine dans le corps géniculé latéral des singes et nous rapportons pour la première fois que CB1R et FAAH sont exprimés davantage dans les couches magnocellulaires. La NAPE-PLD a été localisée à travers les couches magno- et parvocellulaires. Aucune de ces composantes n’est exprimée dans les couches koniocellulaires. Ces résultats nous aident à mieux comprendre les effets des cannabinoïdes sur le système visuel qui pourraient nous mener à trouver éventuellement de nouvelles cibles thérapeutiques.

Studies on Pseudoscalar Meson Bound States and Semileptonic Decays in a Relativistic Potential Model

In this thesis quark-antiquark bound states are considered using a relativistic two-body equation for Dirac particles. The mass spectrum of mesons includes bound states involving two heavy quarks or one heavy and one light quark. In order to analyse these states within a unified formalism, it is desirable to have a two-fermion equation that limits to one body Dirac equation with a static interaction for the light quark when the other particle's mass tends to infinity. A suitable two-body equation has been developed by Mandelzweig and Wallace. This equation is solved in momentum space and is used to describe the complete spectrum of mesons. The potential used in this work contains a short range one-gluon exchange interaction and a long range linear confining and constant potential terms. This model is used to investigate the decay processes of heavy mesons. Semileptonic decays are more tractable since there is no final state interactions between the leptons and hadrons that would otherwise complicate the situation. Studies on B and D meson decays are helpful to understand the nonperturbative strong interactions of heavy mesons, which in turn is useful to extract the details of weak interaction process. Calculation of form factors of these semileptonic decays of pseudo scalar mesons are also presented.

A Beacon based Localization System for Autonomous Mobile Robots and its Applications in Traffic and Transport Control

ACCURATE sensing of vehicle position and attitude is still a very challenging problem in many mobile robot applications. The mobile robot vehicle applications must have some means of estimating where they are and in which direction they are heading. Many existing indoor positioning systems are limited in workspace and robustness because they require clear lines-of-sight or do not provide absolute, driftfree measurements.The research work presented in this dissertation provides a new approach to position and attitude sensing system designed specifically to meet the challenges of operation in a realistic, cluttered indoor environment, such as that of an office building, hospital, industrial or warehouse. This is accomplished by an innovative assembly of infrared LED source that restricts the spreading of the light intensity distribution confined to a sheet of light and is encoded with localization and traffic information. This Digital Infrared Sheet of Light Beacon (DISLiB) developed for mobile robot is a high resolution absolute localization system which is simple, fast, accurate and robust, without much of computational burden or significant processing. Most of the available beacon's performance in corridors and narrow passages are not satisfactory, whereas the performance of DISLiB is very encouraging in such situations. This research overcomes most of the inherent limitations of existing systems.The work further examines the odometric localization errors caused by over count readings of an optical encoder based odometric system in a mobile robot due to wheel-slippage and terrain irregularities. A simple and efficient method is investigated and realized using an FPGA for reducing the errors. The detection and correction is based on redundant encoder measurements. The method suggested relies on the fact that the wheel slippage or terrain irregularities cause more count readings from the encoder than what corresponds to the actual distance travelled by the vehicle.The application of encoded Digital Infrared Sheet of Light Beacon (DISLiB) system can be extended to intelligent control of the public transportation system. The system is capable of receiving traffic status input through a GSM (Global System Mobile) modem. The vehicles have infrared receivers and processors capable of decoding the information, and generating the audio and video messages to assist the driver. The thesis further examines the usefulness of the technique to assist the movement of differently-able (blind) persons in indoor or outdoor premises of his residence.The work addressed in this thesis suggests a new way forward in the development of autonomous robotics and guidance systems. However, this work can be easily extended to many other challenging domains, as well.

An Error-Localization, Validation and Optimization Tool for Embedded Code Augmentation: an Architecture Oriented Approach

Embedded systems are usually designed for a single or a specified set of tasks. This specificity means the system design as well as its hardware/software development can be highly optimized. Embedded software must meet the requirements such as high reliability operation on resource-constrained platforms, real time constraints and rapid development. This necessitates the adoption of static machine codes analysis tools running on a host machine for the validation and optimization of embedded system codes, which can help meet all of these goals. This could significantly augment the software quality and is still a challenging field.Embedded systems are usually designed for a single or a specified set of tasks. This specificity means the system design as well as its hardware/software development can be highly optimized. Embedded software must meet the requirements such as high reliability operation on resource-constrained platforms, real time constraints and rapid development. This necessitates the adoption of static machine codes analysis tools running on a host machine for the validation and optimization of embedded system codes, which can help meet all of these goals. This could significantly augment the software quality and is still a challenging field.Embedded systems are usually designed for a single or a specified set of tasks. This specificity means the system design as well as its hardware/software development can be highly optimized. Embedded software must meet the requirements such as high reliability operation on resource-constrained platforms, real time constraints and rapid development. This necessitates the adoption of static machine codes analysis tools running on a host machine for the validation and optimization of embedded system codes, which can help meet all of these goals. This could significantly augment the software quality and is still a challenging field.Embedded systems are usually designed for a single or a specified set of tasks. This specificity means the system design as well as its hardware/software development can be highly optimized. Embedded software must meet the requirements such as high reliability operation on resource-constrained platforms, real time constraints and rapid development. This necessitates the adoption of static machine codes analysis tools running on a host machine for the validation and optimization of embedded system codes, which can help meet all of these goals. This could significantly augment the software quality and is still a challenging field.This dissertation contributes to an architecture oriented code validation, error localization and optimization technique assisting the embedded system designer in software debugging, to make it more effective at early detection of software bugs that are otherwise hard to detect, using the static analysis of machine codes. The focus of this work is to develop methods that automatically localize faults as well as optimize the code and thus improve the debugging process as well as quality of the code.Validation is done with the help of rules of inferences formulated for the target processor. The rules govern the occurrence of illegitimate/out of place instructions and code sequences for executing the computational and integrated peripheral functions. The stipulated rules are encoded in propositional logic formulae and their compliance is tested individually in all possible execution paths of the application programs. An incorrect sequence of machine code pattern is identified using slicing techniques on the control flow graph generated from the machine code.An algorithm to assist the compiler to eliminate the redundant bank switching codes and decide on optimum data allocation to banked memory resulting in minimum number of bank switching codes in embedded system software is proposed. A relation matrix and a state transition diagram formed for the active memory bank state transition corresponding to each bank selection instruction is used for the detection of redundant codes. Instances of code redundancy based on the stipulated rules for the target processor are identified.This validation and optimization tool can be integrated to the system development environment. It is a novel approach independent of compiler/assembler, applicable to a wide range of processors once appropriate rules are formulated. Program states are identified mainly with machine code pattern, which drastically reduces the state space creation contributing to an improved state-of-the-art model checking. Though the technique described is general, the implementation is architecture oriented, and hence the feasibility study is conducted on PIC16F87X microcontrollers. The proposed tool will be very useful in steering novices towards correct use of difficult microcontroller features in developing embedded systems.

Nuclear curvature energy in relativistic models

The difficulties arising in the calculation of the nuclear curvature energy are analyzed in detail, especially with reference to relativistic models. It is underlined that the implicit dependence on curvature of the quantal wave functions is directly accessible only in a semiclassical framework. It is shown that also in the relativistic models quantal and semiclassical calculations of the curvature energy are in good agreement.

Relativistic Thomas-Fermi description of collective modes in droplets of nuclear matter

Isoscalar collective modes in a relativistic meson-nucleon system are investigated in the framework of the time-dependent Thomas-Fermi method. The energies of the collective modes are determined by solving consistently the dispersion relations and the boundary conditions. The energy weighted sum rule satisfied by the models considered allows the identification of the giant resonances. The percentage of the energy weighted sum rule exhausted by the collective modes is in agreement with experimental data, but the agreement with the energy of the modes depends on the model considered.

Variational Wigner-Kirkwood approach to relativistic mean field theory

The recently developed variational Wigner-Kirkwood approach is extended to the relativistic mean field theory for finite nuclei. A numerical application to the calculation of the surface energy coefficient in semi-infinite nuclear matter is presented. The new method is contrasted with the standard density functional theory and the fully quantal approach.

Effects of new nonlinear couplings in relativistic effective field theory

We extend the relativistic mean field theory model of Sugahara and Toki by adding new couplings suggested by modern effective field theories. An improved set of parameters is developed with the goal to test the ability of the models based on effective field theory to describe the properties of finite nuclei and, at the same time, to be consistent with the trends of Dirac-Brueckner-Hartree-Fock calculations at densities away from the saturation region. We compare our calculations with other relativistic nuclear force parameters for various nuclear phenomena.