La petite GTPase Rab11 et ses interacteurs orchestrent la migration cellulaire collective et la cytocinèse chez la Drosophile

Le trafic vésiculaire permet un échange coordonné de molécules entre les différents organites de la cellule et dépend largement des petites GTPases de la famille des Rabs dont le nombre varie entre 27 chez la Drosophile et 70 chez l’Homme. Un des prochains défis consiste donc à élucider les mécanismes cellulaires qui coordonnent l’activité de ces Rabs, laquelle garantit un transport vésiculaire ordonné au sein de la cellule. Les Rabs agissent comme des interrupteurs moléculaires grâce à leur capacité à cycler entre un état actif et inactif. L’activité des Rabs est contrôlée par des protéines régulatrices puis des effecteurs en aval coordonnent leurs différentes fonctions. La petite GTPase Rab11 est essentielle au développement de plusieurs organismes incluant la Drosophile, C. elegans et la souris puisqu’elle se retrouve au cœur de différentes voies de transport. D’ailleurs, le trafic de molécules dépendant de Rab11 est perturbé dans plusieurs pathologies. Malgré son rôle central dans le trafic vésiculaire, la régulation de Rab11 reste peu comprise in vivo. Cette thèse se penche sur les mécanismes moléculaires contrôlant les fonctions de Rab11 et de ses effecteurs lors de la migration cellulaire collective et lors de la cytocinèse. Nous avons identifié Evi5 comme un nouvel acteur clé de la migration cellulaire collective, et nous montrons qu’elle possède une activité Rab11-GAP essentielle pour maintenir les récepteurs de guidance actifs de façon polarisée au front de migration. Nous avons ensuite déterminé que Rab11 régule la communication cellulaire lors de la migration collective par l’entremise de son interaction avec la Moésine. Une question reste toutefois en suspens : sachant que Rab11 compte plus de 13 effecteurs, quels sont les mécanismes assurant la spécificité de l’interaction entre cette GTPase et un effecteur particulier? Une partie de la réponse provient peut-être de nos observations que les membres des Rab11-FIPs de classe I, une famille d’effecteurs de Rab11, interagissent avec les protéines d’échafaudage 14-3-3. Chez la Drosophile, Rip11 est le seul représentant des Rab11-FIPs de classe I et nous montrons que Rip11 aurait des fonctions inattendues durant la cytocinèse qui seraient coordonnées par 14-3-3. Nos recherches permettent de dresser un portrait plus authentique des mécanismes moléculaires régulant les différentes fonctions de Rab11 et de ses effecteurs in vivo.

Monoacylglycerol, alpha/beta-hydrolase domain-6, and the regulation of insulin secretion and energy metabolism

Le cycle glycérolipides/acides gras libres (GL/FFA) est une voie métabolique clé qui relie le métabolisme du glucose et des acides gras et il est composé de deux processus métaboliques appelés lipogenèse et lipolyse. Le cycle GL/FFA, en particulier la lipolyse des triglycérides, génère diverses molécules de signalisation pour réguler la sécrétion d'insuline dans les cellules bêta pancréatiques et la thermogenèse non-frissonnante dans les adipocytes. Actuellement, les lipides provenant spécifiquement de la lipolyse impliqués dans ce processus sont mal connus. L’hydrolyse des triglycérides dans les cellules β est réalisée par les actions successives de la triglycéride lipase adipocytaire pour produire le diacylglycérol, ensuite par la lipase hormono-sensible pour produire le monoacylglycérol (MAG) et enfin par la MAG lipase (MAGL) qui relâche du glycerol et des acides gras. Dans les cellules bêta, la MAGL classique est très peu exprimée et cette étude a démontré que l’hydrolyse de MAG dans les cellules β est principalement réalisée par l'α/β-Hydrolase Domain-6 (ABHD6) nouvellement identifiée. L’inhibition d’ABHD6 par son inhibiteur spécifique WWL70, conduit à une accumulation des 1-MAG à longues chaines saturées à l'intérieur des cellules, accompagnée d’une augmentation de la sécrétion d'insuline stimulée par le glucose (GSIS). Baisser les niveaux de MAG en surexprimant ABHD6 dans la lignée cellulaire bêta INS832/13 réduit la GSIS, tandis qu’une augmentation des niveaux de MAG par le « knockdown » d’ABHD6 améliore la GSIS. L'exposition aiguë des monoacylglycérols exogènes stimule la sécrétion d'insuline de manière dose-dépendante et restaure la GSIS supprimée par un inhibiteur de lipases appelé orlistat. En outre, les souris avec une inactivation du gène ABHD6 dans tous les tissus (ABHD6-KO) et celles avec une inactivation du gène ABHD6 spécifiquement dans la cellule β présentent une GSIS stimulée, et leurs îlots montrent une augmentation de la production de monoacylglycérol et de la sécrétion d'insuline en réponse au glucose. L’inhibition d’ABHD6 chez les souris diabétiques (modèle induit par de faibles doses de streptozotocine) restaure la GSIS et améliore la tolérance au glucose. De plus, les résultats montrent que les MAGs non seulement améliorent la GSIS, mais potentialisent également la sécrétion d’insuline induite par les acides gras libres ainsi que la sécrétion d’insuline induite par divers agents et hormones, sans altération de l'oxydation et l'utilisation du glucose ainsi que l'oxydation des acides gras. Nous avons démontré que le MAG se lie à la protéine d’amorçage des vésicules appelée Munc13-1 et l’active, induisant ainsi l’exocytose de l'insuline. Sur la base de ces observations, nous proposons que le 1-MAG à chaines saturées agit comme facteur de couplage métabolique pour réguler la sécrétion d'insuline et que ABHD6 est un modulateur négatif de la sécrétion d'insuline. En plus de son rôle dans les cellules bêta, ABHD6 est également fortement exprimé dans les adipocytes et son niveau est augmenté avec l'obésité. Les souris dépourvues globalement d’ABHD6 et nourris avec une diète riche en gras (HFD) montrent une faible diminution de la prise alimentaire, une diminution du gain de poids corporel et de la glycémie à jeun et une amélioration de la tolérance au glucose et de la sensibilité à l'insuline et ont une activité locomotrice accrue. En outre, les souris ABHD6-KO affichent une augmentation de la dépense énergétique et de la thermogenèse induite par le froid. En conformité avec ceci, ces souris présentent des niveaux élevés d’UCP1 dans les adipocytes blancs et bruns, indiquant le brunissement des adipocytes blancs. Le phénotype de brunissement est reproduit dans les souris soit en les traitant de manière chronique avec WWL70 (inhibiteur d’ABHD6) ou des oligonucléotides anti-sense ciblant l’ABHD6. Les tissus adipeux blanc et brun isolés de souris ABHD6-KO montrent des niveaux très élevés de 1-MAG, mais pas de 2-MAG. L'augmentation des niveaux de MAG soit par administration exogène in vitro de 1-MAG ou par inhibition ou délétion génétique d’ABHD6 provoque le brunissement des adipocytes blancs. Une autre évidence indique que les 1-MAGs sont capables de transactiver PPARα et PPARγ et que l'effet de brunissement induit par WWL70 ou le MAG exogène est aboli par les antagonistes de PPARα et PPARγ. L’administration in vivo de l’antagoniste de PPARα GW6471 à des souris ABHD6-KO inverse partiellement les effets causés par l’inactivation du gène ABHD6 sur le gain de poids corporel, et abolit l’augmentation de la thermogenèse, le brunissement du tissu adipeux blanc et l'oxydation des acides gras dans le tissu adipeux brun. L’ensemble de ces observations indique que ABHD6 régule non seulement l’homéostasie de l'insuline et du glucose, mais aussi l'homéostasie énergétique et la fonction des tissus adipeux. Ainsi, 1-MAG agit non seulement comme un facteur de couplage métabolique pour réguler la sécrétion d'insuline en activant Munc13-1 dans les cellules bêta, mais régule aussi le brunissement des adipocytes blancs et améliore la fonction de la graisse brune par l'activation de PPARα et PPARγ. Ces résultats indiquent que ABHD6 est une cible prometteuse pour le développement de thérapies contre l'obésité, le diabète de type 2 et le syndrome métabolique.

Funktionelle Analyse der LC-FACS in Dictyostelium discoideum

"Funktionelle Analyse der LC-FACS in Dictyostelium discoideum" Das Dictyostelium discoideum Gen fcsA kodiert für ein 75 kDa großes Protein. Es kann durch Homologieanyalysen der Amino-säuresequenz zu den "long-chain fatty acyl-CoA"-Synthetasen ge-rechnet werden, die lang-kettige Fettsäuren durch die kovalente Bindung von Coenzym A akti-vie-ren und damit für diverse Reak-tionen in Stoffwechsel und Molekül-Synthese der Zelle verfügbar machen. Die hier untersuchte D. discoideum LC-FACS lokalisiert als peripher assoziiertes Protein an der cytosolischen Seite der Membran von Endo-somen und kleiner Vesikel. Bereits kurz nach der Bildung in der frühen sauren Phase kann die Lokalisation der LC-FACS auf Endosomen ge-zeigt werden. Sie dissoziiert im Laufe ihrer Neutra-li-sierung und kann auf späten Endosomen, die vor ihrer Exocytose stehen nicht mehr nach-gewiesen werden. Ein Teil der kleinen die in der gesamte Zelle verteilten kleinen Vesikel zeigt eine Kolokalisation mit lysosomalen Enzymen. Trotz des intrazellulären Verteilungs-mus-ters, das eine Beteiligung dieses Pro-teins an der Endocytose nahe-legt, konnte kein signifikanter Rückgang der Pino- und Phagocytose-Rate in LC-FACS Nullmutanten beobachtet werden. Der endo-cy-to-ti-sche Transit ist in diesen Zellen etwas verlängert, außerdem zeigen die Endosomen einen deutlich erhöhten pH-Wert, was zu einer weniger effektiven Prozessierung eines lysosomalen Enzyms führt (a-Mannosidase). Die Funktion der LC-FACS ist die Aufnahme von langkettigen Fettsäuren aus dem Lumen der Endosomen.

Transmisión sináptica-canales de calcio y liberación de neurotransmisore

La comunicación neuronal en el sistema nervioso está mediada, en la gran mayoría de animales, por la transmisión sináptica química. Generalmente esta comunicación ocurre mediante la liberación de una sustancia transmisora en el terminal presináptico. Este transmisor sináptico se une a receptores postsinápticos y da lugar a una respuesta postsináptica en la célula blanco. La liberación del transmisor en la región presináptica, al parecer, es desencadenada por un aumento transitorio del calcio intracelular en el sitio de liberación. Este aumento se logra, principalmente, por la activación de canales de calcio dependientes de voltaje (VGCC), lo que da lugar a un ingreso de iones de calcio en el citosol presináptico, que desencadena la fusión de las vesículas sinápticas y la liberación del neurotransmisor. En este artículo se revisan las características moleculares y funcionales de los VGCC necesarias para la comprensión de alteraciones patológicas como las canalopatías y la transmisión sináptica anormal. Metodología: se consultaron las bases de datos Medline, Pubmed y los e-journals de la Biblioteca de la Universidad de Columbia, correspondientes a los años 1990 a 2004. Resultados: durante la última década se han logrado avances significativos en los aspectos moleculares y en la genética de los canales dependientes de voltaje. La integración de este conocimiento con la neurofisiología funcional y la neurología clínica apenas se está iniciando.

Design and synthesis of short antimicrobial peptides for plant protection. Study of their mode of action

Aquesta tesi doctoral està basada en el desenvolupament de nous agents antimicrobians derivats del pèptid híbrid cecropina A-melitina WKLFKKILKVL-NH2 (Pep3) que siguin sostenibles i útils per al control de malalties de plantes. Es van dissenyar i sintetitzar més de 133 anàlegs de Pep3 mitjançant química combinatòria. Es van obtenir anàlegs de Pep3 amb una elevada activitat contra fitopatògens i que presentaven baixa toxicitat. Els millors anàlegs van presentar eficàcies comparables amb pesticides de referència en la prevenció d'infeccions causades per fitopatògens. Es va estudiar el mecanisme d'acció de KKLFKKILKYL-NH2 (BP100) investigant la seva interacció amb models de membrana mitjançant tècniques espectroscòpiques. Es va observar la capacitat de BP100 a induir la permeabilització, la neutralització, i l'agregació de vesícules lipídiques aniòniques a una determinada concentració llindar. Es va deduir una equació que relaciona la CMI d'un pèptid antimicrobià amb la constant de partició i la concentració llindar en la membrana.

G-protein-coupled-receptor-mediated presynaptic inhibition in the cerebellum

Throughout the central nervous system a dominant form of inhibition of neurotransmitter release from presynaptic terminals is mediated by G-protein-coupled receptors (GPCRs). Neurotransmitter release is typically induced by action potentials (APs), but can also occur spontaneously. Presynaptic inhibition by GPCRs has been associated with modulation of voltage-dependent ion channels. However, electrophysiological recordings of spontaneous, AP-independent (so-called ‘miniature’) postsynaptic events reveal an additional, important form of GPCR-mediated presynaptic inhibition, distinct from effects on ionic conductances and consistent with a direct action on the vesicle release machinery. Recent studies suggest that such miniature events might be of physiological relevance not only in signalling but also in development. In the cerebellum, neurotransmitter release onto Purkinje cells occurs by AP-dependent and AP-independent pathways. Here, I focus on inhibitory synapses between interneurons and Purkinje cells, which are subject to strong, identifiable regulation by endogenous GPCR agonists, to consider mechanisms of GPCR-mediated presynaptic inhibition.

Phosphoinositide (PI) 3-kinase assays

The regulation of phosphoinositide (PI) 3-kinase activities has been linked to many normal and disease-related processes, including cell survival, cell growth and proliferation, cell differentiation, cell motility, and intracellular vesicle trafficking. However, as the family of enzymes has now grown to include eight true members, in three functional classes, plus several related protein kinases that are also inhibited by the widely used PI 3-kinase selective inhibitors, wortmannin and LY294002, extended methodologies are required to identify which type of kinase is involved in a particular cellular process, or protein complex, under study. A robust in vitro PI 3-kinase assay, suitable for use with immunoprecipitates, or purified proteins, is described here together with a series of modifications of substrate and assay conditions that will aid researchers in the identification of the particular class and isoform of PI 3-kinase that is involved in a signaling process under investigation.

Liposomes and skin: From drug delivery to model membranes

The early eighties saw the introduction of liposomes as skin drug delivery systems, initially promoted primarily for localised effects with minimal systemic delivery. Subsequently, a novel ultradeformable vesicular system (termed "Transfersomes" by the inventors) was reported for transdermal delivery with an efficiency similar to subcutaneous injection. Further research illustrated that the mechanisms of liposome action depended on the application regime and the vesicle composition and morphology. Ethical, health and supply problems with human skin have encouraged researchers to use skin models. 'IYaditional models involved polymer membranes and animal tissue, but whilst of value for release studies, such models are not always good mimics for the complex human skin barrier, particularly with respect to the stratum corneal intercellular lipid domains. These lipids have a multiply bilayered organization, a composition and organization somewhat similar to liposomes, Consequently researchers have used vesicles as skin model membranes. Early work first employed phospholipid liposomes and tested their interactions with skin penetration enhancers, typically using thermal analysis and spectroscopic analyses. Another approach probed how incorporation of compounds into liposomes led to the loss of entrapped markers, analogous to "fluidization" of stratum corneum lipids on treatment with a penetration enhancer. Subsequently scientists employed liposomes formulated with skin lipids in these types of studies. Following a brief description of the nature of the skin barrier to transdermal drug delivery and the use of liposomes in drug delivery through skin, this article critically reviews the relevance of using different types of vesicles as a model for human skin in permeation enhancement studies, concentrating primarily on liposomes after briefly surveying older models. The validity of different types of liposome is considered and traditional skin models are compared to vesicular model membranes for their precision and accuracy as skin membrane mimics. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Can drug-bearing liposomes penetrate intact skin?

Using liposomes to deliver drugs to and through human skin is controversial, as their function varies with type and composition. Thus they may act as drug carriers controlling release of the medicinal agent. Alternatively, they may provide a localized depot in the skin so minimizing systemic effects or can be used for targeting delivery to skin appendages (hair follicles and sweat glands). Liposomes may also enhance transdermal drug delivery, increasing systemic drug concentrations. With such a multiplicity of functions, it is not surprising that mechanisms of liposomal delivery of therapeutic agents to and through the skin are unclear. Accordingly, this article provides an overview of the modes and mechanisms of action of different vesicles as drug delivery vectors in human skin. Our conclusion is that vesicles, depending on the composition and method of preparation, can vary with respect to size, lamellarity, charge, membrane fluidity or elasticity and drug entrapment. This variability allows for multiple functions ranging from local to transdermal effects. Application to dissimilar skins (animal or human) via diverse protocols may reveal different mechanisms of action with possible vesicle skin penetration reaching different depths, from surface assimilation to (rarely) the viable tissue and subsequent systemic absorption.

The SV2A ligand levetiracetam inhibits presynaptic Ca2+ channels via an intracellular pathway

Levetiracetam (LEV) is a prominent antiepileptic drug (AED) which binds to neuronal synaptic vesicle glycoprotein 2A (SV2A) protein and has reported effects on ion channels, but retains a poorly-defined mechanism of action. Here, we investigate inhibition of voltage-dependent Ca2+ (CaV) channels as a potential mechanism by which LEV imparts effects on neuronal activity. We used electrophysiological methods to investigate the effects of LEV on cholinergic synaptic transmission and CaV channel activity in superior cervical ganglion neurons (SCGNs). In parallel, we investigated effects of the LEV ‘inactive’ R-enantiomer, UCB L060. Thus, LEV, but not UCB L060 (each 100 μM), inhibited synaptic transmission between SCGNs in long-term culture in a time-dependent manner, significantly reducing excitatory postsynaptic potentials (EPSP) following ≥30 min application. In isolated SCGNs, LEV pretreatment (≥1 h), but not acute (5 min) application, significantly inhibited whole-cell IBa amplitude. In current clamp recordings, LEV reduced the amplitude of the afterhyperpolarizing potential (AHP) in a Ca2+-dependent manner, but also increased action potential (AP) latency in a Ca2+-independent manner, suggesting further mechanisms associated with reduced excitability. Intracellular LEV application (4-5 min) caused a rapid inhibition of IBa amplitude to an extent comparable to that seen following extracellular LEV pretreatment ( ≥ 1 h). Neither pretreatment nor intracellular application of UCB L060 produced any inhibitory effects on IBa amplitude. These results identify a stereospecific intracellular pathway by which LEV inhibits presynaptic CaV channels; resultant reductions in neuronal excitability are proposed to contribute to the anticonvulsant effects of LEV.

Direct observation of membrane insertion by enveloped virus matrix proteins by phosphate displacement

Enveloped virus release is driven by poorly understood proteins that are functional analogs of the coat protein assemblies that mediate intracellular vesicle trafficking. We used differential electron density mapping to detect membrane integration by membrane-bending proteins from five virus families. This demonstrates that virus matrix proteins replace an unexpectedly large portion of the lipid content of the inner membrane face, a generalized feature likely to play a role in reshaping cellular membranes.

Inhibition of LRRK2 kinase activity stimulates macroautophagy

Leucine Rich Repeat Kinase 2 (LRRK2) is one of the most important genetic contributors to Parkinson's disease. LRRK2 has been implicated in a number of cellular processes, including macroautophagy. To test whether LRRK2 has a role in regulating autophagy, a specific inhibitor of the kinase activity of LRRK2 was applied to human neuroglioma cells and downstream readouts of autophagy examined. The resulting data demonstrate that inhibition of LRRK2 kinase activity stimulates macroautophagy in the absence of any alteration in the translational targets of mTORC1, suggesting that LRRK2 regulates autophagic vesicle formation independent of canonical mTORC1 signaling. This study represents the first pharmacological dissection of the role LRRK2 plays in the autophagy/lysosomal pathway, emphasizing the importance of this pathway as a marker for LRRK2 physiological function. Moreover it highlights the need to dissect autophagy and lysosomal activities in the context of LRRK2 related pathologies with the final aim of understanding their aetiology and identifying specific target for disease modifying therapies in patients.

Arenavirus budding resulting from viral-protein-associated cell membrane curvature

Viral replication occurs within cells, with release (and onward infection) primarily achieved through two alternative mechanisms: lysis, in which virions emerge as the infected cell dies and bursts open; or budding, in which virions emerge gradually from a still living cell by appropriating a small part of the cell membrane. Virus budding is a poorly understood process that challenges current models of vesicle formation. Here, a plausible mechanism for arenavirus budding is presented, building on recent evidence that viral proteins embed in the inner lipid layer of the cell membrane. Experimental results confirm that viral protein is associated with increased membrane curvature, whereas a mathematical model is used to show that localized increases in curvature alone are sufficient to generate viral buds. The magnitude of the protein-induced curvature is calculated from the size of the amphipathic region hypothetically removed from the inner membrane as a result of translation, with a change in membrane stiffness estimated from observed differences in virion deformation as a result of protein depletion. Numerical results are based on experimental data and estimates for three arenaviruses, but the mechanisms described are more broadly applicable. The hypothesized mechanism is shown to be sufficient to generate spontaneous budding that matches well both qualitatively and quantitatively with experimental observations.

Interaction between a cationic surfactant-like peptide and lipid vesicles and its relationship to antimicrobial activity

We investigate the properties of an antimicrobial surfactant-like peptide (Ala)6(Arg), A6R, containing a cationic headgroup. The interaction of this peptide with zwitterionic (DPPC) lipid vesicles is investigated using a range of microscopic, X-ray scattering, spectroscopic, and calorimetric methods. The β-sheet structure adopted by A6R is disrupted in the presence of DPPC. A strong effect on the small-angle X-ray scattering profile is observed: the Bragg peaks from the DPPC bilayers in the vesicle walls are eliminated in the presence of A6R and only bilayer form factor peaks are observed. All of these observations point to the interaction of A6R with DPPC bilayers. These studies provide insight into interactions between a model cationic peptide and vesicles, relevant to understanding the action of antimicrobial peptides on lipid membranes. Notably, peptide A6R exhibits antimicrobial activity without membrane lysis.

Alanine-rich amphiphilic peptide containing the RGD cell adhesion motif: a coating material for human fibroblast attachment and culture

We studied the self-assembly of peptide A6RGD (A: alanine, R: arginine, G: glycine, D: aspartic acid) in water, and the use of A6RGD substrates as coatings to promote the attachment of human cornea stromal fibroblasts (hCSFs). The self-assembled motif of A6RGD was shown to depend on the peptide concentration in water, where both vesicle and fibril formation were observed. Oligomers were detected for 0.7 wt% A6RGD, which evolved into short peptide fibres at 1.0 wt% A6RGD, while a co-existence of vesicles and long peptide fibres was revealed for 2–15 wt% A6RGD. A6RGD vesicle walls were shown to have a multilayer structure built out of highly interdigitated A6 units, while A6RGD fibres were based on β-sheet assemblies. Changes in the self-assembly motif with concentration were reflected in the cell culture assay results. Films dried from 0.1–1.0 wt% A6RGD solutions allowed hCSFs to attach and significantly enhanced cell proliferation relative to the control. In contrast, films dried from 2.5 wt% A6RGD solutions were toxic to hCSFs.