Linking gene expression in the intestine to production of gametes through the phosphate transporter PITR-1 in Caenorhabditis elegans

Inorganic phosphate is an essential mineral for both prokaryotic and eukaryotic cell metabolism and structure. Its uptake into the cell is mediated by membrane bound transporters and coupled to Na+ transport. Mammalian sodium-dependent Pi co-transporters have been grouped into three families NaPi-I, NaPi-II, and NaPi-III. Despite being discovered more than 2 decades ago, very little is known about requirements for NaPi-III transporters in vivo, in the context of intact animal models. Here we find that impaired function of the C. elegans NaPi-III transporter, pitr-1, results in decreased brood size and dramatically increased expression of vitellogenin by the worm intestine. Unexpectedly, we found that the effects of pitr-1 mutation on vitellogenin expression in the intestine could only be rescued by expression of pitr-1 in the germline, and not by expression of pitr-1 in the intestine itself. Our results indicate the existence of a signal from the germline that regulates gene expression in the intestine, perhaps linking nutrient export from the intestine to production of gametes by the germline.

From the Cover: Arsenite Uncouples Mitochondrial Respiration and Induces a Warburg-like Effect in Caenorhabditis elegans.

Millions of people worldwide are chronically exposed to arsenic through contaminated drinking water. Despite decades of research studying the carcinogenic potential of arsenic, the mechanisms by which arsenic causes cancer and other diseases remain poorly understood. Mitochondria appear to be an important target of arsenic toxicity. The trivalent arsenical, arsenite, can induce mitochondrial reactive oxygen species production, inhibit enzymes involved in energy metabolism, and induce aerobic glycolysis in vitro, suggesting that metabolic dysfunction may be important in arsenic-induced disease. Here, using the model organism Caenorhabditis elegans and a novel metabolic inhibition assay, we report an in vivo induction of aerobic glycolysis following arsenite exposure. Furthermore, arsenite exposure induced severe mitochondrial dysfunction, including altered pyruvate metabolism; reduced steady-state ATP levels, ATP-linked respiration and spare respiratory capacity; and increased proton leak. We also found evidence that induction of autophagy is an important protective response to arsenite exposure. Because these results demonstrate that mitochondria are an important in vivo target of arsenite toxicity, we hypothesized that deficiencies in mitochondrial electron transport chain genes, which cause mitochondrial disease in humans, would sensitize nematodes to arsenite. In agreement with this, nematodes deficient in electron transport chain complexes I, II, and III, but not ATP synthase, were sensitive to arsenite exposure, thus identifying a novel class of gene-environment interactions that warrant further investigation in the human populace.

Opening Basement Membrane Gaps During C. elegans Uterine-Vulval Attachment

The basement membrane (BM) is a highly conserved form of extracellular matrix that underlies or surrounds and supports most animal tissues. BMs are crossed by cells during various remodeling events in development, immune surveillance, or during cancer metastasis. Because BMs are dense and not easily penetrable, most of these cells must open a gap in order to facilitate their migration. The mechanisms by which cells execute these changes are poorly understood. A developmental event that requires the opening of a BM gap is C. elegans uterine-vulval connection. The anchor cell (AC), a specialized uterine cell, creates a de novo BM gap. Subsequent widening of the BM gap involves the underlying vulval precursor cells (VPCs) and the π cells, uterine neighbors of the AC through non-proteolytic BM sliding. Using forward and reverse genetic screening, transcriptome profiling, and live-cell imaging, I investigated how the cells in these tissues accomplish BM gap formation. In Chapter 2, I identify two potentially novel regulators of BM breaching, isolated through a large-scale forward genetic screen and characterize the invasion defect in these mutants. In Chapter 3, I describe single-cell transcriptome sequencing of the invasive AC. In Chapter 4, I describe the role of the π cells in opening the nascent BM gap. A complete developmental pathway for this process has been elucidated: the AC induces the π fate through Notch signaling, after which the π cells upregulate the Sec14 family protein CTG-1, which in turn restricts the trafficking of DGN-1 (dystroglycan), a laminin receptor, allowing the BM to slide. Chapter 5 outlines the implications of these discoveries.

The roles of EFN-1 and seam cell V2 in the transmission of a stop cue for the posterior lateral microtubule in Caenorhabditis elegans

A functional nervous system requires the precise arrangement of all nerve cells and their neurites. To achieve this correct assembly, a myriad of molecular guidance cues works together to direct the outgrowth of neurites to their correct positions. The small nematode C. elegans provides the ideal model system to study the complex mechanisms of neurite guidance due to its relatively simple nervous system, composed of 302 neurons. I used two mechanosensory neurons, called the posterior lateral microtubule (PLM), to investigate the role of the ephrin and Eph receptor protein family in neurite termination in C. elegans. Activation of the C. elegans Eph receptor VAB-1 on the PLM growth cone is sufficient to cause PLM termination, but the identity and location of the activating ligand has not been established. In my thesis I investigated the ability of the ephrin ligand EFN-1 to activate VAB-1 to cause PLM termination when expressed on the same cell (in cis) and on opposing cells (in trans) to the receptor. I showed that EFN-1 is able to activate VAB-1 in cis and in trans to cause PLM termination. I also assessed the hypodermal seam cells as the source of the ephrin stop cue using fluorescently labelled and seam cell mutant transgenic worms. I found that although the PLM shows consistent termination on the seam cell V2 in wild type worms independent of PLM length, this process is not significantly disrupted in seam cell mutants. With this information I have created a new hypothesis that the PLM neurite is able the provide a positional cue for the developing seam cells, and have created a new transgenic strain which can be used to assess the impact of PLM and ALM cell ablation on seam cell position. My research is the first to demonstrate the ability of an ephrin ligand to activate its ephrin receptor in cis, and further research can investigate if this finding has in vivo applications.

Molecular Mechanism of the Response to Hydrogen Sulfide in C. elegans

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Identification of Genes Modulating Mitochondrial Biogenesis in Caenorhabditis elegans

Since Altmann recognized ubiquitously distributed "bioblasts" in 1890, understanding of mitochondria has evolved from "elementary organisms" living inside cells and carrying out vital functions, over the Harman's "free radical theory" in 1956, to one of the driving forces of aging and cause of multiple associated diseases impacting society today. While a tremendous amount of work has contributed to the understanding of mitochondrial biology in different model organisms, the precise molecular mechanisms of basic mitochondrial function have yet to be deciphered. By employing an RNA interference mediated screen in Caenorhabditis elegans, we identified two transcription factors: SPTF-3, a member of Sp1 family, and an uncharacterized, nematode specific W04D2.4. We propose that both proteins modulate expression of many genes with regard to mitochondrial function including mitochondrial single-stranded binding protein encoded by mtss-1, whose promoter was used as transcriptional reporter in the screen. Further, RNA sequencing data indicate that W04D2.4 indirectly regulates expression of mitochondrial DNA via control of genes functionally related to mitochondrial replication and translation machineries. We also demonstrate that from all interventions targeting cytosolic translation, MTSS-1 levels are elevated only upon knockdown of genes encoding cytosolic ribosomal proteins. Reduction of ribosomes leads to increased sptf-3 translation, most likely in an internal ribosome entry side (IRES) mediated manner, eventually inducing mtss-1 expression. Moreover, we identify a novel role for SPTF-3 in the regulation of mitochondrial unfolded stress response (UPRmt) activation, but not endoplasmatic reticulum or oxidative stress responses. Taken together, this study identifies two transcription factors previously not associated with mitochondrial biogenesis and UPRmt in C. elegans, establishing a basis for further investigation of mito-nuclear interactions.

Genetic Suppressors of mrp-5 Lethality in C. elegans

Heme is an essential cofactor in numerous proteins, but is also cytotoxic. Thus, directed pathways must exist for regulating heme homeostasis. C. elegans is a powerful genetic animal model for elucidating these pathways because it is a heme auxotroph. Worms acquire dietary heme though HRG-1-related importers, and intestinal export was demonstrated to be mediated by the ABC transporter MRP-5. Loss of mrp-5 results in embryonic lethality. Although heme transporters have been identified, there are significant gaps in our understanding for the heme trafficking beyond HRG-1 and MRP-5. To identify additional components, we conducted a forward genetic screen utilizing the null allele mrp-5(ok2067). Screening of 160,000 haploid genomes yielded thirty-two mrp-5(ok2067) suppressor mutants. Deep-sequencing variant analysis revealed three of the suppressors subunits of adapter protein complex 3 (AP-3). We now seek to identify mechanisms for how adaptor protein deficiencies bypass a defect in MRP-5-mediated heme export.

Estudio de la patogenicidad de Candida y de la actividad de los fármacos antifúngicos en un modelo animal en Caenorhabditis elegans

171 p.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

L’exploitation d’un modèle de levure présentant une déficience de l’absorption des anthracyclines révèle qu’une protéine de Caenorhabditis elegans, OCT-1, est un transporteur fonctionnel d’anthracyclines

Les anthracyclines, comme la doxorubicine (DOX) ou la daunorubicine (DNR), sont utilisées dans le traitement d’une grande variété de cancers allant des lymphomes, au cancer du sein, en passant par certaines leucémies. Encore aujourd’hui, beaucoup pensent que les anthracyclines entrent dans les cellules par diffusion passive, toutefois, la plupart de ces mêmes personnes sont d’accord pour dire que la p-glycoprotéine est responsable d’exporter ces molécules hors de la cellule. Mais pourquoi une molécule aurait besoin d’un transporteur pour sortir de la cellule, et pas pour y entrer ? Qu’est-ce qui ferait que la diffusion passive fonctionnerait dans un sens, mais pas dans l’autre, d’autant que l’entrée des anthracyclines dans les cellules est très rapide ? Nous pensons qu’il existe bel et bien un transporteur responsable de faire passer les anthracyclines du milieu extracellulaire au cytoplasme, et nous voulons développer un modèle de levure qui permettrait de déterminer si une protéine, un transporteur, issue d’un autre organisme eucaryote est en mesure de transporter la DOX à l’intérieur de la cellule. Pour ce faire, nous avons rassemblé un groupe de mutants présentant une déficience dans l’absorption d’autres molécules chargées positivement telles que la bléomycine ou le NaD1 et avons déterminé le taux d’absorption de DOX de chacun de ces mutants. Les simples mutants sam3Δ ou dur3Δ n’ont montré qu’une faible réduction de l’absorption de DOX, voire, aucune, par rapport à la souche parentale. Si le double mutant sam3Δdur3Δ a montré une réduction relativement importante de l’absorption de DOX, c’est le mutant agp2Δ qui présentait la plus grande réduction d’absorption de DOX, ainsi qu’une résistance notable à son effet létal. Nous avons utilisé, par la suite, ce mutant pour exprimer, à l’aide d’un vecteur d’expression, une protéine du ver Caenorhabditis elegans, OCT-1 (CeOCT-1). Les résultats ont montré que cette protéine était en mesure de restaurer l’absorption de DOX, compromise chez le mutant agp2Δ ainsi que d’augmenter la sensibilité de la souche parentale à son effet létal, lorsqu’exprimée chez celle-ci. Cela suggère que CeOCT-1 est un transporteur fonctionnel de DOX et contredit également le dogme selon lequel les anthracyclines entrent dans les cellules par diffusion passive.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.