TWEAK can induce cell death via endogenous TNF and TNF receptor 1.

TWEAK is a recently cloned novel member of the TNF ligand family. Here we show that soluble TWEAK is sufficient to induce apoptosis in Kym-1 cells within 18 h. TWEAK-induced apoptosis is indirect and is mediated by the interaction of endogenous TNF and TNF receptor (TNFR)1, as each TNFR1-Fc, neutralizing TNF-specific antibodies and TNFR1-specific Fab fragments efficiently antagonize cell death induction. In addition to this indirect mode of action, co-stimulation of Kym-1 cells with TWEAK enhances TNFR1-mediated cell death induction. In contrast to TNF, TWEAK does only modestly activate NF-kappaB or c-jun N-terminal kinase (JNK) in Kym-1 cells. Although TWEAK binding to Kym-1 cells is easily detectable by flow cytometric analysis, we found neither evidence for expression of the recently identified TWEAK receptor Apo3/TRAMP/wsl/DR3/LARD, nor indications for direct interactions of TWEAK with TNFR. Together, these characteristics of TWEAK-induced signaling in Kym-1 cells argue for the existence of an additional, still undefined non-death domain-containing TWEAK receptor in Kym-1 cells.

Constitutive activity of receptors coupled to guanine nucleotide regulatory proteins.

Adrenoceptors are prototypic members of the superfamily of seven transmembrane domain, G protein-coupled receptors. Study of the properties of several mutationally activated adrenoceptors is deepening understanding of the normal functioning of this ubiquitous class of receptors. The new findings suggest an expansion of the classical ternary complex model of receptor action to include an explicit isomerization of the receptors from an inactive to an active state which couples to the G protein ('allosteric ternary complex model'). This isomerization involves conformational changes which may occur spontaneously, or be induced by agonists or appropriate mutations which abrogate the normal 'constraining' function of the receptor, allowing it to 'relax' into the active conformation. Robert Lefkowitz and colleagues discuss the physiological and pathophysiological implications of these new insights into regulation of receptor activity.

Trichophyton rubrum secreted and membrane-associated carboxypeptidases

Dermatophytes are the most common agents of superficial mycoses, and exclusively infect stratum corneum, nails or hair. Therefore, secreted proteolytic activity is considered a virulence trait of these fungi. In a medium containing protein as a sole nitrogen and carbon source Trichophyton rubrum secretes a metallocarboxypeptidase (TruMcpA) of the M14 family according to the MEROPS proteolytic enzyme database. TruMcpA is homologous to human pancreatic carboxypeptidase A, and is synthesized as a precursor in a preproprotein form. The propeptide is removed to generate the mature active enzyme alternatively by either one of two subtilisins which are concomitantly secreted by the fungus. In addition, T. rubrum was shown to possess two genes (TruSCPA and TruSCPB) encoding serine carboxypeptidases of the S10 family which are homologues of the previously characterized Aspergillus and Penicillium secreted acid carboxypeptidases. However, in contrast to the Aspergillus and Penicillium homologues, TruScpA and TruScpB enzymes are not secreted into the environment, but are membrane-associated with a glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor. During infection, T. rubrum secreted and GPI-anchored carboxypeptidases may contribute to fungal virulence by cooperating with previously characterized endoproteases and aminopeptidases in the degradation of compact keratinized tissues into assimilable amino acids and short peptides.

Molecular pathogenesis of spondylocheirodysplastic Ehlers-Danlos syndrome caused by mutant ZIP13 proteins.

The zinc transporter protein ZIP13 plays critical roles in bone, tooth, and connective tissue development, and its dysfunction is responsible for the spondylocheirodysplastic form of Ehlers-Danlos syndrome (SCD-EDS, OMIM 612350). Here, we report the molecular pathogenic mechanism of SCD-EDS caused by two different mutant ZIP13 proteins found in human patients: ZIP13(G64D), in which Gly at amino acid position 64 is replaced by Asp, and ZIP13(ΔFLA), which contains a deletion of Phe-Leu-Ala. We demonstrated that both the ZIP13(G64D) and ZIP13(ΔFLA) protein levels are decreased by degradation via the valosin-containing protein (VCP)-linked ubiquitin proteasome pathway. The inhibition of degradation pathways rescued the protein expression levels, resulting in improved intracellular Zn homeostasis. Our findings uncover the pathogenic mechanisms elicited by mutant ZIP13 proteins. Further elucidation of these degradation processes may lead to novel therapeutic targets for SCD-EDS.

Neuropathic Pain Phenotype Does Not Involve the NLRP3 Inflammasome and Its End Product Interleukin-1β in the Mice Spared Nerve Injury Model.

The NACHT, LRR and PYD domains-containing protein 3 (NLRP3) inflammasome is one of the main sources of interleukin-1β (IL-1β) and is involved in several inflammatory-related pathologies. To date, its relationship with pain has not been studied in depth. The aim of our study was to elucidate the role of NLRP3 inflammasome and IL-1β production on neuropathic pain. Results showed that basal pain sensitivity is unaltered in NLRP3-/- mice as well as responses to formalin test. Spared nerve injury (SNI) surgery induced the development of mechanical allodynia and thermal hyperalgesia in a similar way in both genotypes and did not modify mRNA levels of the NLRP3 inflammasome components in the spinal cord. Intrathecal lipopolysaccharide (LPS) injection increases apoptosis-associated speck like protein (ASC), caspase-1 and IL-1β expression in both wildtype and NLRP3-/- mice. Those data suggest that NLRP3 is not involved in neuropathic pain and also that other sources of IL-1β are implicated in neuroinflammatory responses induced by LPS.

Intracellular ATP Decrease Mediates NLRP3 Inflammasome Activation upon Nigericin and Crystal Stimulation.

Activation of the nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family, pyrin domain-containing 3 (NLRP3) inflammasome initiates an inflammatory response, which is associated with host defense against pathogens and the progression of chronic inflammatory diseases such as gout and atherosclerosis. The NLRP3 inflammasome mediates caspase-1 activation and subsequent IL-1β processing in response to various stimuli, including extracellular ATP, although the roles of intracellular ATP (iATP) in NLRP3 activation remain unclear. In this study, we found that in activated macrophages artificial reduction of iATP by 2-deoxyglucose, a glycolysis inhibitor, caused mitochondrial membrane depolarization, leading to IL-1β secretion via NLRP3 and caspase-1 activation. Additionally, the NLRP3 activators nigericin and monosodium urate crystals lowered iATP through K(+)- and Ca(2+)-mediated mitochondrial dysfunction, suggesting a feedback loop between iATP loss and lowering of mitochondrial membrane potential. These results demonstrate the fundamental roles of iATP in the maintenance of mitochondrial function and regulation of IL-1β secretion, and they suggest that maintenance of the intracellular ATP pools could be a strategy for countering NLRP3-mediated inflammation.

Mode of interaction of the Gαo subunit of heterotrimeric G proteins with the GoLoco1 motif of Drosophila Pins is determined by guanine nucleotides.

Drosophila GoLoco motif-containing protein Pins is unusual in its highly efficient interaction with both GDP- and the GTP-loaded forms of the α-subunit of the heterotrimeric Go protein. We analysed the interactions of Gαo in its two nucleotide forms with GoLoco1-the first of the three GoLoco domains of Pins-and the possible structures of the resulting complexes, through combination of conventional fluorescence and FRET measurements as well as through molecular modelling. Our data suggest that the orientation of the GoLoco1 motif on Gαo significantly differs between the two nucleotide states of the latter. In other words, a rotation of the GoLoco1 peptide in respect with Gαo must accompany the nucleotide exchange in Gαo. The sterical hindrance requiring such a rotation probably contributes to the guanine nucleotide exchange inhibitor activity of GoLoco1 and Pins as a whole. Our data have important implications for the mechanisms of Pins regulation in the process of asymmetric cell divisions.

Functional studies on bacterial nucleotide-regulated inorganic pyrophosphatases

CBS domains are ~60 amino acid tandemly repeated regulatory modules forming a widely distributed domain superfamily. Found in thousands of proteins from all kingdoms of life, CBS domains have adopted a variety of functions during evolution, one of which is regulation of enzyme activity through binding of adenylate-containing compounds in a hydrophobic cavity. Mutations in human CBS domain-containing proteins cause hereditary diseases. Inorganic pyrophosphatases (PPases) are ubiquitous enzymes, which pull pyrophosphate (PPi) producing reactions forward by hydrolyzing PPi into phosphate. Of the two nonhomologous soluble PPases, dimeric family II PPases, belonging to the DHH family of phosphoesterases, require a transition metal and magnesium for maximal activity. A quarter of the almost 500 family II PPases, found in bacteria and archaea, contain a 120-250 amino acid N-terminal insertion, comprised of two CBS domains separated in sequence by a DRTGG domain. These enzymes are thus named CBS-PPases. The function of the DRTGG domain in proteins is unknown. The aim of this PhD thesis was to elucidate the structural and functional differences of CBS-PPases in comparison to family II PPases lacking the regulatory insert. To this end, we expressed, purified and characterized the CBS-PPases from Clostridium perfringens (cpCBS-PPase) and Moorella thermoacetica (mtCBS-PPase), the latter lacking a DRTGG domain. Both enzymes are homodimers in solution and display maximal activity against PPi in the presence of Co2+ and Mg2+. Uniquely, the DRTGG domain was found to enable tripolyphosphate hydrolysis at rates similar to that of PPi. Additionally, we found that AMP and ADP inhibit, while ATP and AP4A activate CBSPPases, thus enabling regulation in response to changes in cellular energy status. We then observed substrate- and nucleotide-induced conformational transitions in mtCBS-PPase and found that the enzyme exists in two differentially active conformations, interconverted through substrate binding and resulting in a 2.5-fold enzyme activation. AMP binding was shown to produce an alternate conformation, which is reached through a different pathway than the substrate-induced conformation. We solved the structure of the regulatory insert from cpCBS-PPase in complex with AMP and AP4A and proposed that conformational changes in the loops connecting the catalytic and regulatory domains enable activity regulation. We examined the effects of mutations in the CBS domains of mtCBS-PPase on catalytic activity, as well as, nucleotide binding and inhibition.

System-wide approaches to uncover Th2 cell lineage commitment

T helper (Th) cells are vital regulators of the adaptive immune system. When activated by presentation of cognate antigen, Th cells demonstrate capacity to differentiate into functionally distinct effector cell subsets. The Th2 subset is required for protection against extracellular parasites, such as helminths, but is also closely linked to pathogenesis of asthma and allergies. The intracellular molecular signal transduction pathways regulating T helper cell subset differentiation are still incompletely known. Moreover, great majority of studies regarding Th2 differentiation have been conducted with mice models, while studies with human cells have been fewer in comparison. The goal of this thesis was to characterize molecular mechanisms promoting the development of Th2 phenotype, focusing specifically on human umbilical cord blood T cells as an experimental model. These primary cells, activated and differentiated to Th2 cells in vitro, were investigated by complementary system-wide approaches, targeting levels of mRNA, proteins, and lipid molecules. Specifically, the results indicated IL4-regulated recruitment of nuclear protein, and described novel components of the Th2-promoting STAT6 enhanceosome complex. Furthermore, the development of the activated effector cell phenotype was found to correlate with remodeling of the cellular lipidome. These findings will hopefully advance the understanding of human Th2 cell lineage commitment and development of Th2-associated disease states.

Functions of the extracellular matrix and matrix degrading proteases during tumor progression

Cell interactions with extracellular matrices are important to pathological changes that occur during cell transformation and tumorigenesis. Several extracellular matrix proteins including fibronectin, thrombospondin-1, laminin, SPARC, and osteopontin have been suggested to modulate tumor phenotype by affecting cell migration, survival, or angiogenesis. Likewise, proteases including the matrix metalloproteinases (MMPs) are understood to not only facilitate migration of cells by degradation of matrices, but also to affect tumor formation and growth. We have recently demonstrated an in vivo role for the RGD-containing protein, osteopontin, during tumor progression, and found evidence for distinct functions in the host versus the tumor cells. Because of the compartmentalization and temporal regulation of MMP expression, it is likely that MMPs may also function dually in host stroma and the tumor cell. In addition, an important function of proteases appears to be not only degradation, but also cleavage of matrix proteins to generate functionally distinct fragments based on receptor binding, biological activity, or regulation of growth factors.

Effects of sirolimus alone or in combination with cyclosporine A on renal ischemia/reperfusion injury

Calcineurin inhibitors exacerbate ischemic injury in transplanted kidneys, but it is not known if sirolimus protects or exacerbates the transplanted kidney from ischemic injury. We determined the effects of sirolimus alone or in combination with cyclosporin A (CsA) on oxygenated and hypoxic/reoxygenated rat proximal tubules in the following in vitro groups containing 6-9 rats per group: sirolimus (10, 50, 100, 250, 500, and 1000 ηg/mL); CsA (100 µg/mL); sirolimus (50 and 250 ηg/mL) + CsA (100 µg/mL); control; vehicle (20% ethanol). For in vivo studies, 3-week-old Wistar rats (150-250 g) were submitted to left nephrectomy and 30-min renal artery clamping. Renal function and histological evaluation were performed 24 h and 7 days after ischemia (I) in five groups: sham, I, I + SRL (3 mg·kg-1·day-1, po), I + CsA (3 mg·kg-1·day-1, sc), I + SRL + CsA. Sirolimus did not injure oxygenated or hypoxic/reoxygenated proximal tubules and did not potentiate the tubular toxic effects of CsA. Neither drug affected the glomerular filtration rate (GFR) at 24 h. GFR was reduced in CsA-treated rats on day 7 (0.5 ± 0.1 mL/min) but not in rats receiving sirolimus + CsA (0.8 ± 0.1 mL/min) despite the reduction in renal blood flow (3.9 ± 0.5 mL/min). Acute tubular necrosis regeneration was similar for all groups. Sirolimus alone was not toxic and did not enhance hypoxia/reoxygenation injury or CsA toxicity to proximal tubules. Despite its hemodynamic effects, sirolimus protected post-ischemic kidneys against CsA toxicity.

Impact de facteurs sanguins et d'agents thérapeutiques sur la survie de fibroblastes de sujets atteints de la forme canadienne-française du syndrome de Leigh (LSFC)

La forme canadienne-française du syndrome de Leigh (LSFC) est une maladie métabolique associée à une déficience en cytochrome oxydase (COX) et caractérisée par des crises d’acidose lactique, menant à une mort prématurée. Les mécanismes qui sous-tendent l’induction des crises restent inconnus et il n’existe aucune thérapie efficace pour les prévenir. Cette étude vise à caractériser l'effet de facteurs métaboliques périphériques potentiellement altérés chez les patients LSFC sur la mort de lignées cellulaires issues de ces patients et de témoins puis, à identifier des agents thérapeutiques pouvant la prévenir. Nous postulons que (i) ces facteurs métaboliques induiront une mort prématurée des cellules de patients et que (ii) les interventions susceptibles de la prévenir pallieront les conséquences de la déficience en COX, soit la diminution des taux d’adénosine triphosphate (ATP) et l’augmentation du stress oxydant, du nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) et des lipides toxiques. Un criblage de 8 facteurs sanguins et 10 agents thérapeutiques a été réalisé. Les paramètres mesurés incluent la nécrose, l’apoptose, l’ATP et l’activité de la COX. Les fibroblastes LSFC sont plus susceptibles à la mort par nécrose (39±6%) induite par du palmitate plus lactate, un effet associé à des niveaux d’ATP diminués (53±8%). La mort cellulaire est réduite de moitié par l’ajout combiné d’agents ciblant le NADH, l’ATP et les lipides toxiques, alors que l’ajout d’antioxydants l’augmente. Ainsi, un excès de nutriments pourrait induire la mort prématurée des cellules LSFC et, pour atténuer cette mort, il serait important de combiner plusieurs interventions ciblant différents mécanismes.

Identification de nouveaux partenaires protéiques des récepteurs couplés aux protéines G contrôlant leur transport du reticulum endoplasmique à la membrane plasmique

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) forment la plus grande et la plus diversifiée des familles de protéines localisées à la surface cellulaire et responsables de la transmission de signaux à l’intérieur des cellules. D’intenses recherches effectuées au cours des trente dernières années ont mené à l’identification de dizaines de protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant la signalisation, la désensibilisation, l’internalisation et la dégradation de ces importantes cibles pharmacologiques. Contrairement aux processus régulant l’activité des récepteurs à partir de la membrane plasmique, les mécanismes moléculaires contrôlant la biosynthèse des RCPGs dans le reticulum endoplasmique (RE) et leur transport jusqu’à la surface cellulaire sont très peu caractérisés. Une meilleure compréhension de ces processus nécessite l’identification de la machinerie protéique responsable de la maturation des RCPGs. Un crible protéomique basé sur le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), qui permet la mesure d’interactions protéiques dans les cellules vivantes, a mené à l’identification de plusieurs nouvelles protéines localisées dans la voie de sécrétion et interagissant potentiellement avec les RCPGs. Ces protéines étant localisées dans les compartiments cellulaires (reticulum endoplasmique et appareil de Golgi) responsables de la synthèse, du repliement adéquat et du transport à la membrane plasmique des récepteurs, il est très probable qu’elles soient impliquées dans le contrôle de l’expression des RCPGs à la surface cellulaire. La caractérisation de l’homologue humain de cornichon 4 (CNIH4), un nouvel intéracteur des RCPGs identifié dans le crible, a démontré que cette protéine localisée dans les compartiments précoces de la voie de sécrétion (RE et ERGIC) interagit de façon sélective avec les RCPGs. De plus, la suppression de l’expression endogène de cette protéine préalablement non-caractérisée, diminue le transport à la membrane plasmique d’un récepteur, indiquant que CNIH4 influence positivement l’export des RCPGs du RE. Ceci est supporté par l’observation que la surexpression de CNIH4 à de faibles niveaux favorise la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE. Nous avons également pu démontrer que CNIH4 est associée à la protéine Sec23, une des composantes de l’enveloppe des vésicules COPII qui sont responsables du transport des protéines du RE vers le Golgi, suggérant que CNIH4 pourrait favoriser le recrutement des récepteurs dans ces vésicules. La surexpression de CNIH4 à de très hauts niveaux provoque également la rétention intracellulaire des récepteurs. Cet effet dominant négatif pourrait être causé par la titration d’un autre facteur d’export des RCPGs. Une deuxième étude a permis de révéler que la protéine transmembranaire 9 (TMEM9), un nouvel intéracteur des RCPGs également identifié dans le crible, interagit sélectivement avec les récepteurs et avec CNIH4. La surexpression de cette protéine aux fonctions précédemment inconnues, rétablit le transport normal d’un récepteur en présence de CNIH4 surexprimée. De plus, la co-expression de TMEM9 potentialise la capacité de CNIH4 à augmenter la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE, suggérant que ces deux protéines forment un complexe régulant la maturation des RCPGs. Au cours de cette thèse, de nouvelles protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant leur expression à la membrane plasmique ont donc été identifiées, permettant une meilleure compréhension des mécanismes régulant le transport des récepteurs du RE à la surface cellulaire.

Les partenaires d'interactions de Cirhin, la protéine portant la mutation responsable de la Cirrhose Amérindienne Infantile (NAIC)

La Cirrhose Amérindienne Infantile (CAI, NAIC) est une forme de cholestase non-syndromique héréditaire à transmission autosomique récessive, décrite uniquement chez les enfants autochtones du Nord-Ouest québécois et issue d’un effet fondateur. La maladie se présente d’abord sous la forme d’une jaunisse néonatale chez un enfant autrement en bonne santé, qui progresse en cirrhose de type biliaire dans l’enfance et dans l’adolescence. Le taux de survie à l’âge adulte est inférieur à 50% et la seule thérapie efficace à ce jour pour les patients avancés dans la maladie demeure la transplantation hépatique. Les recherches antérieures menées par le groupe ont permis d’identifier le locus ainsi que le gène responsable de NAIC, qui encode la protéine nucléolaire Cirhin. Cirhin est exprimée uniquement dans le foie et tous les patients sont homozygotes pour la mutation R565W. La fonction de Cirhin est inconnue, mais les motifs WD40 retrouvés dans sa séquence indiquent qu’elle participerait à des interactions protéine-protéine et serait impliquée dans un mécanisme moléculaire de base. Cirhin interagit avec la protéine nucléaire Cirip, qui a un effet positif important sur la transcription de l’élément activateur HIV-1 LTR et qui a un rôle dans la prolifération cellulaire. L’interaction de Cirhin et Cirip est affectée par la mutation R565W. À l’aide de la technique du double hybride chez la levure, la protéine nucléolaire Nol11 a été identifiée comme étant un partenaire d’interaction de Cirhin. Par son interaction avec MARK3 et c-Myc, Nol11 serait impliquée dans des processus cellulaires tels que le contrôle du cycle cellulaire, la polarité, la croissance cellulaire et possiblement la biogenèse des ribosomes. La portion C-terminale de Nol11 interagirait avec Cirhin, et la mutation R565W abolit cette interaction. Le résidu R565 serait donc important pour la fonctionnalité de Cirhin.

Étude sur la reconnaissance de l'ubiquitine par les domaines de transactivation acides des activateurs de transcription

Les domaines de transactivation (TAD) acides sont présents dans plusieurs protéines oncogéniques, virales et dans des facteurs de différenciation de cellules souches. Ces domaines acides contrôlent la transcription à travers une myriade d’interactions avec divers partenaires ce qui provoque l’activation de la transcription ou leur propre élimination. Cependant, dans la dernière décennie, de plus en plus de recherches ont démontré que les TAD possédaient un sous-domaine activation/dégradation (DAD) responsable pour une fonction d'activation de la transcription dépendante de la dégradation de la protéine. Un tel phénomène peut être accompli par plusieurs moyens tels que des modifications post-traductionnelles, l’association à des cofacteurs ou la formation d’un réseau d’interaction complexe en chaînes. Or, aucune preuve concrète n’a pu clairement démontrer le fonctionnement de la dépendance paradoxale entre ces deux fonctions sur un activateur de transcription. Le DAD, a été observé dans plusieurs facteurs de transcription incluant la protéine suppresseur de tumeur p53 et le facteur de différenciation érythrocyte EKLF. Un aspect particulier des DAD est que la composition de leur séquence d’acide aminé est fortement similaire à celle des domaines de liaison à l’ubiquitine (UBD) qui jouent un rôle clé dans le contrôle de la transcription à travers leur interaction non-covalente avec l’ubiquitine. Ainsi, dans ce mémoire, nous avons étudié la possibilité que les TAD acides soient capables d’agir comme UBD pour réguler leur fonction paradoxale à travers des interactions non-covalentes avec l’ubiquitine. L’analyse est faite en utilisant la résonnance magnétique nucléaire (RMN) ainsi qu’avec des essais fonctionnels de dégradation. En somme, cette étude amène une plus grande compréhension des protéines impliquées dans le contrôle des TAD et caractérise le tout premier exemple de TAD capable d’interagir avec l’ubiquitine.