The structural effects of divalent cations and insulin on phospholipid model membranes /

It is well accepted that structural studies with model membranes are of considerable value in understanding the structure of biological membranes. Many studies with models of pure phospholipids have been done; but the effects of divalent cations and protein on these models would make these studies more applicable to intact membrane. The present study, performed with above view, is a structural analysis of divalent io~cardio1ipin complexes using the technique of x-ray diffraction. Cardiolipin, precipitated from dilute solution by divalent ionscalcium, magnesium and barium, contains little water and the structure formed is similar to the structure of pure cardiolipin with low water content. The calcium-cardiolipin complex forms a pure hexagonal type II phase that exists from 40 to 400 C. The molar ratio of calcium and cardiolipin in the complex is 1 : 1. Cardiolipin, precipitated with magnesium and barium forms two co-existing phases, lamellar and hexagonal, the relative quantity of the two phases being dependent on temperature. The hexagonal phase type II consisting of water filled channels formed by adding calcium to cardiolipin may have a remarkable permeability property in intact membrane. Pure cardiolipin and insulin at pH 3.0 and 4.0 precipitate but form no organised structure. Lecithin/cardiolipin and insulin precipitated at pH 3.0 give a pure lamellar phase. As the lecithin/cardiolipin molar ratio changes from 93/7 to SO/50, (a) the repeat distance of the lamellar changes from 72.8 X to 68.2 A; (b) the amount of protein bound increases in such a way that cardiolipin/insulin molar ratio in the complex reaches a maximum constant value at lecithin/cardiolipin molar ratio 70/30. A structural model based on these data shows that the molecular arrangement of lipid and protein is a lipid bilayer coated with protein molecules. The lipid-protein interaction is chiefly electrostatic and little, if any, hydrophobic bonding occurs in this particular system. So, the proposed model is essentially the same as Davson-Daniellifs model of biological membrane.

Effect of the position of the double-bond in monounsaturated phospholipids on the dynamics of model membranes

Therllloelynalllics of lllodel 11lel1ll)rane systeills containing 1110nollnsaturatecl I)lloSI)holil) ids is strongly infllienced l)y the I)osition of the C==C dOlll)le })ond in tIle acyl chain. The telllI)eratllres of both chain-nlelting (TM) and La -+ HI! (TH) I)hase traIlsitions are lowered by IIp to 20°C when C==C is Inoved froln positions 6 or 11 to I)osition 9 in an 18-carl)on chain. This work is an attellll)t to ellicidate the uIlderlying Illoleclilar Illechanisllls reSI)Onsi])le for tllese draillatic tllerillodynaillic changes. Mixtllres of di-18: 1 l)hoSI)hatidylethanolanline with C==C at l)ositioIlS 6, 9, 11 were llsed, witll a sI1lall aI1lOlint of I)erdellterated tetradecanol, known to })e a gooel rel)Orter of the cllain Illoleclilar order. SI)ectral second 11I0I1lents were llsed to Illonitor tIle La -+ HII I)hase transition, which was fOllnd to ])e ])road (2-6°C), with a slight llysteresis on heatiIlg/cooling. The orientational order I)rofiles were nleasllred 1lSiIlg 2H Illiclear Illagnetic resonance and changes in these order I)rofiles between La aIld HII I)hases silow l)oth a local increase in order in the vicinity of the C==C bonds and an o\Terall decrease ill the average orientational order of the chain as a whole. These Sll])tle changes recluire })oth high-fidelity SI)ectrosCol)y and a careflll data analysis that takes into aCCOllnt the effects due to l)artiall1lagnetically-indllced orientational ordering of the l)ilayers. In tIle COIltext of SOllle recently rel)Orted cross-relaxation 11leaSlirenlents in Silllilar l)llOSI)llolil)iels, 0111' reslilts sllggest that large-anll)litllde conforlllational changes in the interior of tIle I110del 111eI11])ranes I)lay a 1110re significant role than I)reviollsly thOllght.

Localization of the mechanism of pH-dependent non- photochemical fluorescence quenching in thylakoid membranes

Higher plants have evolved a well-conserved set of photoprotective mechanisms, collectively designated Non-Photochemical Quenching of chlorophyll fluorescence (qN), to deal with the inhibitory absorption of excess light energy by the photosystems. Their main contribution originates from safe thermal deactivation of excited states promoted by a highly-energized thylakoid membrane, detected via lumen acidification. The precise origins of this energy- or LlpH-dependent quenching (qE), arising from either decreased energy transfer efficiency in PSII antennae (~ Young & Frank, 1996; Gilmore & Yamamoto, 1992; Ruban et aI., 1992), from alternative electron transfer pathways in PSII reaction centres (~ Schreiber & Neubauer, 1990; Thompson &Brudvig, 1988; Klimov et aI., 1977), or from both (Wagner et aI., 1996; Walters & Horton, 1993), are a source of considerable controversy. In this study, the origins of qE were investigated in spinach thylakoids using a combination of fluorescence spectroscopic techniques: Pulse Amplitude Modulated (PAM) fluorimetry, pump-probe fluorimetry for the measurement of PSII absorption crosssections, and picosecond fluorescence decay curves fit to a kinetic model for PSII. Quenching by qE (,..,600/0 of maximal fluorescence, Fm) was light-induced in circulating samples and the resulting pH gradient maintained during a dark delay by the lumenacidifying capabilities of thylakoid membrane H+ ATPases. Results for qE were compared to those for the addition of a known antenna quencher, 5-hydroxy-1,4naphthoquinone (5-0H-NQ), titrated to achieve the same degree of Fm quenching as for qE. Quenching of the minimal fluorescence yield, F0' was clear (8 to 130/0) during formation of qE, indicative of classical antenna quenching (Butler, 1984), although the degree was significantly less than that achieved by addition of 5-0H-NQ. Although qE induction resulted in an overall increase in absorption cross-section, unlike the decrease expected for antenna quenchers like the quinone, a larger increase in crosssection was observed when qE induction was attempted in thylakoids with collapsed pH gradients (uncoupled by nigericin), in the absence of xanthophyll cycle operation (inhibited by DTT), or in the absence of quenching (LlpH not maintained in the dark due to omission of ATP). Fluorescence decay curves exhibited a similar disparity between qE-quenched and 5-0H-NQ-quenched thylakoids, although both sets showed accelerated kinetics in the fastest decay components at both F0 and Fm. In addition, the kinetics of dark-adapted thylakoids were nearly identical to those in qEquenched samples at F0' both accelerated in comparison with thylakoids in which the redox poise of the Oxygen-Evolving Complex was randomized by exposure to low levels of background light (which allowed appropriate comparison with F0 yields from quenched samples). When modelled with the Reversible Radical Pair model for PSII (Schatz et aI., 1988), quinone quenching could be sufficiently described by increasing only the rate constant for decay in the antenna (as in Vasil'ev et aI., 1998), whereas modelling of data from qE-quenched thylakoids required changes in both the antenna rate constant and in rate constants for the reaction centre. The clear differences between qE and 5-0H-NQ quenching demonstrated that qE could not have its origins in the antenna alone, but is rather accompanied by reaction centre quenching. Defined mechanisms of reaction centre quenching are discussed, also in relation to the observed post-quenching depression in Fm associated with photoinhibition.

Reproduction in the temperate crayfish, Orconectes rusticus: intermale aggression, copulatary behaviour, and sperm competition

The chelipeds of Orconectes rusticus are sexually dimorphic; males possessing the larger. Males use their chelae in intermale aggressive interactions, both to threaten, and assault opponents. In dyadic interactions males with larger chelae were dominant over otherwise physically similar opponents. A high frequency of attack behaviour, coupled with a low frequency of threats during these interactions indicates that actual physical contact is required for opponent assessment. Large clawed males oriented females into the copulatory position faster than small clawed males. Females more frequently escaped the precopulatory-grasp attempts of small clawed males. Additionally, male-female pairs that included a large clawed male remained in copula longer than pairs that included a small clawed male. Sperm of the second male to mate took precedence over the sperm of the primary male. Sperm precedence was incomplete; about 900/0 paternity accrued to the second male.

Sperm utilization patterns in Gryllus integer (orthoptera: gryllidae

Sperm competition is the competition for fertilizations between ejaculates, within a female, following multiple mating. There are four sperm utilization or precedence patterns: first male precedence, where the first male to mate fertilizes most of the eggs laid by a female; last male precedence, where the last male to mate fertilizes most of the eggs laid by a female; "all-or-none" pattern, where sperm from either male fertilizes all the eggs laid by a female but which male's sperm that is used is random; or sperm mixing, where sperm from each male is used equally in fertilizing eggs laid by a female. Intermediate utilization patterns are also possible. Sperm competition occurs in a wide variety of insect species as well as other animals. This study was undertaken to study sperm competition in the field cricket, Gryllus integer. Four experiments were conducted: a radiation and sterilization experiment, a diapause experiment, and 2 competition experiments. It was found that 7,000 rad of gamma radiation sterilized adult ~ integer males. There was no diapause in the laboratory in ~ integer eggs. In the first competition experiment, three groups of females were used: females mated with a normal male, then with a second normal male (NN group); females mated with a normal male, and then with a sterile male (NR group); and females mated with a sterile male, and then with a normal male (RN group). The results obtained from this experiment showed that the mean proportion of eggs hatched was significantly different between 3 groups of females, with the proportion hatched much greater in the NN group than in either the NR or RN groups. The pattern for the proportion of eggs hatched following a double mating most closely resembled a pattern expected if sperm mixing is occurring. Results obtained in the replicate competition experiment showed that the mean proportion of eggs hatched for the females in the NR group was significantly lower than the proportion hatched in the other two groups. This also supports a model of sperm mixing as a precedence pattern. Values calculated following Boorman and Parker (1976), for the proportion of eggs fertilized by the second male to mate following a double mating, were 0.57 in competition experiment 1 and 0.62 in the replicate. These values indicate that sperm mixing occurs in~ integer.

The effect of lysobisphosphatidic acid (LBPA) on α-tocopherol transfer protein (α-TTP) binding to lipid membranes

The a-tocopherol transfer protein (a-TTP) is responsible for the retention of the atocopherol form of vitamin E in living organisms. The detailed ligand transfer mechanism by a-TTP is still yet to be fully elucidated. To date, studies show that a-TTP transfers a-tocopherol from late endosomes in liver cells to the plasma membrane where it is repackaged into very low density lipoprotein (VLDL) and released into the circulation. Late endosomes have been shown to contain a lipid known as lysobisphosphatidic acid (LBP A) that is unique to this cellular compartment. LBPA plays a role in intracellular trafficking and controlling membrane curvature. Taking these observations into account plus the fact that certain proteins are recruited to membranes based on membrane curvature, the specific aim of this project was to examine the effect of LBP A on a-TTP binding to lipid membranes. To achieve this objective, dual polarization interferometry (DPI) and a vesicle binding assay were employed. Whilst DPI allows protein binding affinity to be measured on a flat lipid surface, the vesicle binding assay determines protein binding affinity to lipid vesicles mimicking curved membranes. DPI analysis revealed that the amount of a-TTP bound to lipid membranes is higher when LBPA is present. Using the vesicle binding assay, a similar result was seen where a greater amount of protein is bound to large unilamellar vesicles (LUV s) containing LBP A. However, the effect of LBP A was attenuated when small unilamellar vesicles (SUVs) were replaced with LUVs. The outcome of this project suggests that aTTP binding to membranes is influenced by membrane curvature, which in turn is induced by the presence of LBP A.

Caractérisation du co-transporteur Na+/myo-inositol SMIT2 dans les membranes en bordure en brosse de rein de lapin et d’intestin de rat

Le myo-inositol (MI) est un soluté organique impliqué dans diverses fonctions physiologiques de la cellule dont la signalisation cellulaire. Il est également un osmolyte compatible reconnu. Trois co-transporteurs de type actif secondaire responsables de son absorption ont été identifiés. Deux d’entre eux sont couplés au transport du sodium (SMIT1 et SMIT2) et le troisième est couplé au transport de protons (HMIT). L’objectif de cette étude a été la caractérisation du transport du MI par SMIT2 dans des membranes en bordure en brosse (BBMv) issues du rein de lapin et de l’intestin de rat ainsi qu’après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis. La quantification de l’ARNm de SMIT1 et de SMIT2 dans le rein nous a appris que SMIT1 est majoritairement présent dans la médullaire alors que SMIT2 est principalement localisé dans le cortex. Ces résultats ont été confirmés par immunobuvardage en utilisant un anticorps dirigé contre SMIT2. Grâce à l’inhibition sélective de SMIT1 par le L-Fucose et de SMIT2 par le D-chiro-inositol (DCI), nous avons démontré que SMIT2 semble le seul responsable du transport luminal de MI dans le tubule contourné proximal avec un Km de 57 ± 14 µM. Pour ce qui est de l’intestin, des études de transport de MI radioactif ont démontré une absence de transport de MI chez le lapin alors que l’intestin de rat présente un transport de MI très actif. Une quantification par qRT-PCR nous a permis de constater que l’intestin de lapin ne semble pas posséder les transporteurs de MI nécessaires. Comme pour le rein, SMIT2 semble le seul transporteur de MI présent au niveau du pôle apical des entérocytes intestinaux chez le rat. Il est chargé du prélèvement du MI de l'alimentation avec un Km de 150 ± 40 µM. Les analyses fonctionnelles exécutées sur SMIT2 de rat en électrophysiologie après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis donnent sensiblement les mêmes résultats que pour les BBMv de rein de lapin et d’intestin de rat. Dans les ovocytes, SMIT2 présente une grande affinité pour le MI (270 ± 19 µM) et le DCI (310 ± 60 µM) et aucune affinité pour le L-fucose. Il est ii également très sensible à la phlorizine (16 ± 7 µM). Une seule exception persiste : la constante d’affinité pour le glucose dans les BBMv d’intestin de rat est 40 fois plus petite que celle observée sur les ovocytes de Xenopus laevis. Nous avons également testé la capacité de certains transporteurs de sucre présents à la surface des membranes apicales des entérocytes à prélever le MI. Vu que l'inhibition de ces transporteurs (SGLT1 et GLUT5) ne changeait rien au taux de MI radioactif transporté, nous en avons conclu qu'ils ne sont pas impliqués dans son transport. Finalement, l’efflux de MI à partir du pôle basolatéral des entérocytes n’est pas effectué par GLUT2 puisque ce dernier lorsqu'il est exprimé dans des ovocytes, est incapable de transporter le MI.

Caractérisation de l'activité biologique de l'entérotoxine STb d'Escherichia coli à l'aide de membranes lipidiques artificielles et de cellules en culture

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Imagerie par microscopie à force atomique de toxines Cry1 de Bacillus thuringiensis interagissant avec des membranes apicales de l'intestin de Manduca sexta

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Expression du récepteur B1 des kinines dans les membranes synoviales ostéoarthritiques humaines

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Biogenesis of the C. elegans germline syncytium: from nucleation to maturation

La vie commence par la fusion des gamètes pour générer un zygote, dans lequel les constituants à la fois de l'ovocyte et des spermatozoïdes sont partagés au sein d'un syncytium. Le syncytium consiste en des cellules ou tissus dans lesquels des cellules nucléées individuelles distinctes partagent un cytoplasme commun. Alors que l’avantage du syncytium durant la fécondation est tout à fait évident, les syncytia se produisent également dans de nombreux contextes de développement différents dans les plantes, les champignons et dans le règne animal, des insectes aux humains, pour des raisons qui ne sont pas immédiatement évidentes. Par exemple, la lignée germinale de nombreuses espèces de vertébrés et d'invertébrés, des insectes aux humains, présente une structure syncytiale, suggérant que les syncytia constituent des phases conservées de développement de la lignée germinale. Malgré la prévalence commune des syncytia, ces derniers ont cependant confondu les scientifiques depuis des décennies avec des questions telles que la façon dont ils sont formés et maintenus en concurrence avec leurs homologues diploïdes, et quels sont les avantages et les inconvénients qu'ils apportent. Cette thèse va décrire l'utilisation de la lignée germinale syncytiale de C. elegans afin d'approfondir notre compréhension de l'architecture, la fonction et le mode de formation des tissus syncytiaux. Les cellules germinales (CGs) dans la lignée germinale de C. elegans sont interconnectées les unes aux autres par l'intermédiaire de structures appelées des anneaux de CG. En utilisant l'imagerie des cellules vivantes, nous avons d'abord analysé l'architecture syncytiale de la lignée germinale au long du développement et démontré que la maturation de l'anneau de CG se produit progressivement au cours de la croissance des larves et que les anneaux de CG sont composés de myosine II, de l'anilline canonique ANI-1, et de la courte isoforme d’anilline ANI-2, qui n'a pas les domaines de liaison à l’actine et à la myosine, depuis le premier stade larvaire, L1. Parmi les composants de l'anneau de CG, ANI-2 est exprimé au cours du développement et exclusivement enrichi entre les deux CGs primordiales (CGPs) au cours de l'embryogenèse de C. elegans, indiquant qu’ANI-2 est un composant bona fide des anneaux de CG. Nous avons en outre montré que les anneaux de CG sont largement absents dans les animaux mutants pour ani-2, montrant que leur maintien repose sur l'activité d'ANI-2. Contrairement à cela, nous avons trouvé que la déplétion d’ANI-1 a augmenté à la fois le diamètre des anneaux de CG et la largeur du rachis. Fait intéressant, la déplétion d’ANI-1 dans les mutants d’ani-2 a sauvé les défauts d'anneaux de CG des gonades déficientes en ani-2, ce qui suggère que l'architecture syncytiale de la lignée germinale de C. elegans repose sur un équilibre de l'activité de ces deux protéines Anilline. En outre, nous avons montré que lors de leur entrée à l'âge adulte, les mutants ani-2 présentent de sévères défauts de multinucléation des CGs qui découlent de l'effondrement des membranes de séparation des CGs individuelles. Cette multinucléation a coïncidé avec le début de la diffusion cytoplasmique, dont le blocage réduit la multinucléation des gonades mutantes pour ani-2, suggérant que les anneaux de CG résistent au stress mécanique associé au processus de diffusion cytoplasmique. En accord avec cela, nous avons trouvé aussi que la gonade peut soutenir la déformation élastique en réponse au stress mécanique et que cette propriété repose sur la malléabilité des anneaux de CGs. Dans une étude séparée afin de comprendre le mécanisme de formation du syncytium, nous avons suivi la dynamique de division de la cellule précurseur de la lignée germinale, P4 en deux CGP dans l’embryon de C. elegans. Nous avons démontré que les CGPs commencent la cytocinèse de manière similaire aux cellules somatiques, en formant un sillon de clivage, qui migre correctement et transforme ainsi l'anneau contractile en anneau de « midbody ring » (MBR), une structure qui relie de manière transitoire les cellules en division. Malgré cela, les CGPs, contrairement à leurs homologues somatiques, ne parviennent pas à accomplir la dernière étape de la cytocinèse, qui est la libération abscission-dépendante du MBR. Au lieu de cela, le MBR persiste à la frontière entre les CGPs en division et subit une réorganisation et une maturation pour se transformer finalement en structures en forme d'anneau qui relient les cellules en division. Nous montrons en outre que les composants du MB/MBR; UNC-59Septin, CYK-7, ZEN-4Mklp1, RHO-1RhoA sont localisés à des anneaux de CG au long du développement de la lignée germinale du stade L1 à l'âge adulte, ce qui suggère que les anneaux de CG sont dérivés des MBR. Bien qu'il reste encore beaucoup à faire pour comprendre pleinement le mécanisme précis de la formation du syncytium, le maintien, ainsi que la fonction du syncytium, nos résultats appuient un modèle dans lequel la stabilisation du MBR et la cytocinèse incomplète pourraient être une option conservée dans l’évolution pour la formation du syncytium. En outre, notre travail démontre que les régulateurs de la contractilité peuvent jouer un rôle dans la maturation et l’élasticité de l'anneau de CG au cours du développement de la lignée germinale, fournissant un ajout précieux pour une plus ample compréhension de la syncytiogenèse et de sa fonction.

Biochemical Investigations on the Stability of Biological Membranes

In this project, an attempt has been made to study the stability of erythrocyte and lysosomal membranes biochemically. Erythrocytes were chosen for the study because of their ready availability and relative simplicity. Biological membranes forming closed boundaries between compartments of varying composition consist mainly of proteins and lipids. They are asymmetric, fluid structures that are thermodynamically stable and metabolically active. Normal cellular function begins with normal membrane structure and any variation in it may upset the normal functions. The degree of fluidity of a membrane depends on the chain length of its lipids and degree of unsaturation of constituent fatty acids. In response to environmental changes, many cells can regulate composition of their membranes to maintain the overall semi fluid environment necessary for many membrane associated functions. The assembly and Maintenance of membrane structures in cells is a dynamic process. The components are not only synthesized and inserted into a growing membrane but are also continuously degraded at a slower rate. This turnover process varies with each individual molecule.Lysosomes are important in the catabolic processes occurring in the cell. Lysosomes contain hydrolytic enzymes and are stable under normal conditions. In certain pathological conditions, the lysosomal membrane may rupture, releasing the hydrolytic enzymes into the cell and digestion of cell takes place as a whole. This is very dangerous. In normal life processes of multi cellular organisms, lysosomes rupture following the death of a cell and it may have some value as a built in mechanism for selfremoval of dead cells.An attempt has also been made in this project towards developing lysosome membrane stability as an index of fish spoilage during storage. Different membranes within the cell and between cells have different compositions as reflected in the ratio of protein to lipid. The difference is not surprising given the very different functions of membranes