Modular analysis of signal transduction networks

Modularity, signaling networks, sytems biology

Modulation of [My]-opioid receptor signal transduction and endocytosis by ADP-ribosylation factor proteins

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2010

Modeling the AppA/PpsR signal transduction system of rhodobacter sphaeroides

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2012

Mathematical modeling and evolution of signal transduction pathways and networks

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2013

Improved cardiac gating and patient monitoring in high field magnetic resonance imaging by means of electrocardiogram signal processing

Magdeburg, Univ., Fak. für Elektrotechnik und Informationstechnik, Diss., 2015

Ectodysplasin A1 promotes placodal cell fate during early morphogenesis of ectodermal appendages.

Organs developing as appendages of the ectoderm are initiated from epithelial thickenings called placodes. Their formation is regulated by interactions between the ectoderm and underlying mesenchyme, and several signalling molecules have been implicated as activators or inhibitors of placode formation. Ectodysplasin (Eda) is a unique signalling molecule in the tumour necrosis factor family that, together with its receptor Edar, is necessary for normal development of ectodermal organs both in humans and mice. We have shown previously that overexpression of the Eda-A1 isoform in transgenic mice stimulates the formation of several ectodermal organs. In the present study, we have analysed the formation and morphology of placodes using in vivo and in vitro models in which both the timing and amount of Eda-A1 applied could be varied. The hair and tooth placodes of K14-Eda-A1 transgenic embryos were enlarged, and extra placodes developed from the dental lamina and mammary line. Exposure of embryonic skin to Eda-A1 recombinant protein in vitro stimulated the growth and fusion of placodes. However, it did not accelerate the initiation of the first wave of hair follicles giving rise to the guard hairs. Hence, the function of Eda-A1 appears to be downstream of the primary inductive signal required for placode initiation during skin patterning. Analysis of BrdU incorporation indicated that the formation of the epithelial thickening in early placodes does not involve increased cell proliferation and also that the positive effect of Eda-A1 on placode expansion is not a result of increased cell proliferation. Taken together, our results suggest that Eda-A1 signalling promotes placodal cell fate during early development of ectodermal organs.

Regulatory RNA binding molecules : implication for diabetes pathogenesis

Le glucose est notre principale source d'énergie. Après un repas, le taux de glucose dans le sang (glycémie) augmente, ce qui entraine la sécrétion d'insuline. L'insuline est une hormone synthétisée au niveau du pancréas par des cellules dites bêta. Elle agit sur différents organes tels que les muscles, le foie ou le tissu adipeux, induisant ainsi le stockage du glucose en vue d'une utilisation future.¦Le diabète est une maladie caractérisée par un taux élevé de glucose dans le sang (hyperglycémie), résultant d'une incapacité de notre corps à utiliser ou à produire suffisamment d'insuline. A long terme, cette hyperglycémie entraîne une détérioration du système cardio-vasculaire ainsi que de nombreuses complications. On distingue principalement deux type de diabète : le diabète de type 1 et le diabète de type 2, le plus fréquent (environ 90% des cas). Bien que ces deux maladies diffèrent sur beaucoup de points, elles partagent quelques similitudes. D'une part, on décèle une diminution de la quantité de cellules bêta. Cette diminution est cependant partielle dans le cas d'un diabète de type 2, et totale dans celui d'un diabète de type 1. D'autre part, la présence dans la circulation de médiateurs de l'inflammation nommés cytokines est décelée aussi bien chez les patients de type 1 que de type 2. Les cytokines sont sécrétées lors d'une inflammation. Elles servent de moyen de communication entre les différents acteurs de l'inflammation et ont pour certaines un effet néfaste sur la survie des cellules bêta.¦L'objectif principal de ma thèse a été d'étudier en détail l'effet de petites molécules régulatrices de l'expression génique, appelées microARNs. Basé sur le fait que de nombreuses publications ont démontré que les microARNs étaient impliqués dans différentes maladies telles que le cancer, j'ai émis l'hypothèse qu'ils pouvaient également jouer un rôle important dans le développement du diabète.¦Nous avons commencé par mettre des cellules bêta en culture en présence de cytokines, imitant ainsi un environnement inflammatoire. Nous avons pu de ce fait identifier les microARNs dont les niveaux d'expression étaient modifiés. A l'aide de méthodes biochimiques, nous avons ensuite observé que la modulation de certains microARNs par les cytokines avaient des effets néfastes sur la cellule bêta : sur sa production et sa sécrétion d'insuline, ainsi que sur sa mort (apoptose). Nous avons en conséquence pu démontrer que ces petites molécules avaient un rôle important à jouer dans le dysfonctionnement des cellules bêta induit par les cytokines, aboutissant au développement du diabète.¦-¦La cellule bêta pancréatique est une cellule endocrine présente dans les îlots de Langerhans, dans le pancréas. L'insuline, une hormone sécrétée par ces cellules, joue un rôle essentiel dans la régulation de la glycémie. Le diabète se développe si le taux d'insuline relâché par les cellules bêta n'est pas suffisant pour couvrir les besoins métaboliques corporels. Le diabète de type 1, qui représente environ 5 à 10% des cas, est une maladie auto-immune qui se caractérise par une réaction inflammatoire déclenchée par notre système immunitaire envers les cellules bêta. La conséquence de cette attaque est une disparition progressive des cellules bêta. Le diabète de type 2 est, quant à lui, largement plus répandu puisqu'il représente environ 90% des cas. Des facteurs à la fois génétiques et environnementaux sont responsables d'une diminution de la sensibilité des tissus métabolisant l'insuline, ainsi que d'une réduction de la sécrétion de l'insuline par les cellules bêta, ce qui a pour conséquence le développement de la maladie. Malgré les différences entre ces deux types de diabète, ils ont pour points communs la présence d'infiltrat immunitaire et la diminution de l'état fonctionnel des cellules bêta.¦Une meilleure compréhension des mécanismes aboutissant à l'altération de la cellule bêta est primordiale, avant de pouvoir développer de nouvelles stratégies thérapeutiques capables de guérir cette maladie. Durant ma thèse, j'ai donc étudié l'implication de petites molécules d'ARN, régulatrices de l'expression génique, appelées microARNs, dans les conditions physiopathologiques qui aboutissent au développement du diabète. J'ai débuté mon étude par l'identification de microARNs dont le niveau d'expression était modifié lorsque les cellules bêta étaient exposées à des conditions favorisant à la fois le développement du diabète de type 1 (cytokines) et celui du diabète de type 2 (palmitate). Nous avons découvert qu'une modification de l'expression des miR-21, -34a et -146a était commune aux deux traitements. Ces changements d'expressions ont également été confirmés dans deux modèles animaux : les souris NOD qui développent un diabète s'apparentant au diabète de type 1 et les souris db/db qui développent plutôt un diabète de type 2. Puis, à l'aide de puces à ADN, nous avons comparé l'expression de microARNs chez des souris NOD pré-diabétiques. Nous avons alors retrouvé des changements au niveau de l'expression des mêmes microARNs mais également au niveau d'une famille de microARNs : les miR-29a, -29b et -29c. De manière artificielle, nous avons ensuite surexprimé ou inhibé en conditions physiopathologiques l'expression de tous ces microARNs et nous nous sommes intéressés à l'impact d'un tel changement sur différentes fonctions de la cellule bêta comme la synthèse et la sécrétion d'insulinè ainsi que leur survie. Nous avons ainsi pu démontrer que les miR-21, -34a, -29a, -29b, -29c avaient un effet délétère sur la sécrétion d'insuline et que la surexpression de tous ces microARNs (excepté le miR-21) favorisait la mort. Finalement, nous avons démontré que la plupart de ces microARNs étaient impliqués dans la régulation d'importantes voies de signalisation responsables de l'apoptose des cellules bêta telles que les voies de NFKB, BCL2 ou encore JNK.¦Par conséquent, nos résultats démontrent que les microARNs ont un rôle important à jouer dans le dysfonctionnement des cellules bêta lors de la mise en place du diabète.

Altered NKG2D function in NK cells induced by chronic exposure to NKG2D ligand-expressing tumor cells.

NKG2D is an activation receptor that allows natural killer (NK) cells to detect diseased host cells. The engagement of NKG2D with corresponding ligand results in surface modulation of the receptor and reduced function upon subsequent receptor engagement. However, it is not clear whether in addition to modulation the NKG2D receptor complex and/or its signaling capacity is preserved. We show here that the prolonged encounter with tumor cell-bound, but not soluble, ligand can completely uncouple the NKG2D receptor from the intracellular mobilization of calcium and the exertion of cell-mediated cytolysis. However, cytolytic effector function is intact since NKG2D ligand-exposed NK cells can be activated via the Ly49D receptor. While NKG2D-dependent cytotoxicity is impaired, prolonged ligand exposure results in constitutive interferon gamma (IFNgamma) production, suggesting sustained signaling. The functional changes are associated with a reduced presence of the relevant signal transducing adaptors DNAX-activating protein of 10 kDa (DAP-10) and killer cell activating receptor-associated protein/DNAX-activating protein of 12 kDa (KARAP/DAP-12). That is likely the consequence of constitutive NKG2D engagement and signaling, since NKG2D function and adaptor expression is restored to normal when the stimulating tumor cells are removed. Thus, the chronic exposure to tumor cells expressing NKG2D ligand alters NKG2D signaling and may facilitate the evasion of tumor cells from NK cell reactions.

Uric acid is a danger signal activating NALP3 inflammasome in lung injury inflammation and fibrosis.

RATIONALE: Lung injury leads to pulmonary inflammation and fibrosis through myeloid differentiation primary response gene 88 (MyD88) and the IL-1 receptor 1 (IL-1R1) signaling pathway. The molecular mechanisms by which lung injury triggers IL-1beta production, inflammation, and fibrosis remain poorly understood. OBJECTIVES: To determine if lung injury depends on the NALP3 inflammasome and if bleomycin (BLM)-induced lung injury triggers local production of uric acid, thereby activating the NALP3 inflammasome in the lung. Methods: Inflammation upon BLM administration was evaluated in vivo in inflammasome-deficient mice. Pulmonary uric acid accumulation, inflammation, and fibrosis were analyzed in mice treated with the inhibitor of uric acid synthesis or with uricase, which degrades uric acid. MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS: Lung injury depends on the NALP3 inflammasome, which is triggered by uric acid locally produced in the lung upon BLM-induced DNA damage and degradation. Reduction of uric acid levels using the inhibitor of uric acid synthesis allopurinol or uricase leads to a decrease in BLM-induced IL-1beta production, lung inflammation, repair, and fibrosis. Local administration of exogenous uric acid crystals recapitulates lung inflammation and repair, which depend on the NALP3 inflammasome, MyD88, and IL-1R1 pathways and Toll-like receptor (TLR)2 and TLR4 for optimal inflammation but are independent of the IL-18 receptor. CONCLUSIONS: Uric acid released from injured cells constitutes a major endogenous danger signal that activates the NALP3 inflammasome, leading to IL-1beta production. Reducing uric acid tissue levels represents a novel therapeutic approach to control IL-1beta production and chronic inflammatory lung pathology.

Potentiel des liposomes pour l'injection intravitréenne de molécules thérapeutiques [Potential of liposomes for the intravitreal injection of therapeutic molecules].

Intravitreal administration has been widely used since 20 years and has been shown to improve the treatment of diseases of the posterior segment of the eye with infectious origin or in edematous maculopathies. This route of administration allows to achieve high concentration of drug in the vitreous and avoids the problems resulting from systemic administration. However, two basic problems limit the use of intravitreal therapy. Many drugs are rapidly cleared from the vitreous humor; therefore, to reach and to maintain effective therapy repeated injections are necessary. Repeated intravitreal injections increase the risk of endophthalmitis, damage to lens, retinal detachment. Moreover, some drugs provoke a local toxicity at their effective dose inducing side-effects and possible retinal lesions. In this context, the development and the use of new drug delivery systems for intravitreal administration are necessary to treat chronic ocular diseases. Among them, particulate systems such as liposomes have been widely studied. Liposomes are easily injectable and permit to reduce the toxicity and to increase the residence time of several drugs in the eye. They are also able to protect in vivo poorly-stable molecules from degradation such as peptides and nucleic acids. Some promising results have been obtained for the treatment of retinitis induced by cytomegalovirus in human and more recently for the treatment of uveitis in animal. Finally, the fate of liposomes in ocular tissues and fluids after their injection into the vitreous and their elimination routes begin to be more known.

Direct binding of peptides to MHC class I molecules on living cells. Analysis at the single cell level.

To directly assess the binding of exogenous peptides to cell surface-associated MHC class I molecules at the single cell level, we examined the possibility of combining the use of biotinylated peptide derivatives with an immunofluorescence detection system based on flow cytometry. Various biotinylated derivatives of the adenovirus 5 early region 1A peptide 234-243, an antigenic peptide recognized by CTL in the context of H-2Db, were first screened in functional assays for their ability to bind efficiently to Db molecules on living cells. Suitable peptide derivatives were then tested for their ability to generate positive fluorescence signals upon addition of phycoerythrin-labeled streptavidin to peptide derivative-bearing cells. Strong fluorescent staining of Db-expressing cells was achieved after incubation with a peptide derivative containing a biotin group at the C-terminus. Competition experiments using the unmodified parental peptide as well as unrelated peptides known to bind to Kd, Kb, or Db, respectively, established that binding of the biotinylated peptide to living cells was Db-specific. By using Con A blasts derived from different H-2 congenic mouse strains, it could be shown that the biotinylated peptide bound only to Db among > 20 class I alleles tested. Moreover, binding of the biotinylated peptide to cells expressing the Dbm13 and Dbm14 mutant molecules was drastically reduced compared to Db. Binding of the biotinylated peptide to freshly isolated Db+ cells was readily detectable, allowing direct assessment of the relative amount of peptide bound to distinct lymphocyte subpopulations by three-color flow cytometry. While minor differences between peripheral T and B cells could be documented, thymocytes were found to differ widely in their peptide binding activity. In all cases, these differences correlated positively with the differential expression of Db at the cell surface. Finally, kinetic studies at different temperatures strongly suggested that the biotinylated peptide first associated with Db molecules available constitutively at the cell surface and then with newly arrived Db molecules.

Investigation of field and diffusion time dependence of the diffusion-weighted signal at ultrahigh magnetic fields.

Over the last decade, there has been a significant increase in the number of high-magnetic-field MRI magnets. However, the exact effect of a high magnetic field strength (B0 ) on diffusion-weighted MR signals is not yet fully understood. The goal of this study was to investigate the influence of different high magnetic field strengths (9.4 T and 14.1 T) and diffusion times (9, 11, 13, 15, 17 and 24 ms) on the diffusion-weighted signal in rat brain white matter. At a short diffusion time (9 ms), fractional anisotropy values were found to be lower at 14.1 T than at 9.4 T, but this difference disappeared at longer diffusion times. A simple two-pool model was used to explain these findings. The model describes the white matter as a first hindered compartment (often associated with the extra-axonal space), characterized by a faster orthogonal diffusion and a lower fractional anisotropy, and a second restricted compartment (often associated with the intra-axonal space), characterized by a slower orthogonal diffusion (i.e. orthogonal to the axon direction) and a higher fractional anisotropy. Apparent T2 relaxation time measurements of the hindered and restricted pools were performed. The shortening of the pseudo-T2 value from the restricted compartment with B0 is likely to be more pronounced than the apparent T2 changes in the hindered compartment. This study suggests that the observed differences in diffusion tensor imaging parameters between the two magnetic field strengths at short diffusion time may be related to differences in the apparent T2 values between the pools. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

Antimalarial chemotherapy with natural products and chemically defined molecules

In the present work we have described the in vivo antimalarial actrivity of six different plants. Two of them (Verninia brasiliana and Eupatorium squalidum) were tested in a randomic approach among 273 crude extracts from plants; four (Acanhospermum australe, Esenbeckia febrifuga, Lisianthus specious and Tachia guianensis) were selected after screening 22 crude extracts from different medicinal and some of them showed antimalarial activity in vitro. Some aspects of recent research with natural products aiming to produce drugs are discussed.

The beta1 and beta3 integrins promote T cell receptor-mediated cytotoxic T lymphocyte activation.

Recognition by CD8+ cytotoxic T lymphocytes (CTLs) of antigenic peptides bound to major histocompatibility class (MHC) I molecules on target cells leads to sustained calcium mobilization and CTL degranulation resulting in perforin-dependent killing. We report that beta1 and beta3 integrin-mediated adhesion to extracellular matrix proteins on target cells and/or surfaces dramatically promotes CTL degranulation. CTLs, when adhered to fibronectin but not CTL in suspension, efficiently degranulate upon exposure to soluble MHC.peptide complexes, even monomeric ones. This adhesion induces recruitment and activation of the focal adhesion kinase Pyk2, the cytoskeleton linker paxillin, and the Src kinases Lck and Fyn in the contact site. The T cell receptor, by association with Pyk2, becomes part of this adhesion-induced activation cluster, which greatly increases its signaling.

Automatic DVB signal analyser

El problema de controlar les emissions de televisió digital a tota Europa pel desenvolupament de receptors robustos i fiables és cada vegada més significant, per això, sorgeix la necessitat d’automatitzar el procés d’anàlisi i control d’aquests senyals. Aquest projecte presenta el desenvolupament software d’una aplicació que vol solucionar una part d’aquest problema. L’aplicació s’encarrega d’analitzar, gestionar i capturar senyals de televisió digital. Aquest document fa una introducció a la matèria central que és la televisió digital i la informació que porten els senyals de televisió, concretament, la que es refereix a l’estàndard "Digital Video Broadcasting". A continuació d’aquesta part, l’escrit es concentra en l’explicació i descripció de les funcionalitats que necessita cobrir l'aplicació, així com introduir i explicar cada etapa d’un procés de desenvolupament software. Finalment, es resumeixen els avantatges de la creació d’aquest programa per l’automatització de l’anàlisi de senyal digital partint d’una optimització de recursos.