Role of transducer proteins in photoaxis signaling of Halobacterium salinarum

In Halobacterium salinarum phototaxis is mediated by the visual pigment-like photoreceptors sensory rhodopsin I (SRI) and II (SRII). SRI is a receptor for attractant orange and repellent UV-blue light, and SRII is a receptor for repellent blue-green light, and transmit signals through the membrane-bound transducer proteins HtrI and HtrII, respectively. ^ The primary sequences of HtrI and HtrII predict 2 transmembrane helices (TM1 and TM2) followed by a hydrophilic cytoplasmic domain. HtrII shows an additional large periplasmic domain for chemotactic ligand binding. The cytoplasmic regions are homologous to the adaptation and signaling domains of eubacterial chemotaxis receptors and, like their eubacterial homologs, modulate the transfer of phosphate groups from the histidine protein kinase CheA to the response regulator CheY that in turn controls flagellar motor rotation and the cell's swimming behavior. HtrII and Htrl are dimeric proteins which were predicted to contain carboxylmethylation sites in a 4-helix bundle in their cytoplasmic regions, like eubacterial chemotaxis receptors. ^ The phototaxis transducers of H. salinarum have provided a model for studying receptor/tranducer interaction, adaptation in sensory systems, and the role of membrane molecular complexes in signal transduction. ^ Interaction between the transducer HtrI and the photoreceptor SRI was explored by creating six deletion constructs of HtrI, with progressively shorter cytoplasmic domains. This study confirmed a putative chaperone-like function of HtrI, facilitating membrane insertion or stability of the SRI protein, a phenomenon previously observed in the laboratory, and identified the smallest HtrI fragment containing interaction sites for both the chaperone-like function and SRI photocycle control. The active fragment consisted of the N-terminal 147 residues of the 536-residue HtrI protein, a portion of the molecule predicted to contain the two transmembrane helices and the first ∼20% of the cytoplasmic portion of the protein. ^ Phototaxis and chemotaxis sensory systems adapt to stimuli, thereby signaling only in response to changes in environmental conditions. Observations made in our and in other laboratories and homologies between the halobacterial transducers with the chemoreceptors of enteric bacteria anticipated a role for methylation in adaptation to chemo- and photostimuli. By site directed mutagenesis we identified the methylation sites to be the glutamate pairs E265–E266 in HtrI and E513–E514 in HtrII. Cells containing the unmethylatable transducers are still able to perform phototaxis and adapt to light stimuli. By pulse-chase analysis we found that methanol production from carboxylmethyl group hydrolysis occurs upon specific photo stimulation of unmethylatable HtrI and HtrII and is due to turnover of methyl groups on other transducers. We demonstrated that the turnover in wild-type H. salinarum cells that follows a positive stimulus is CheY-dependent. The CheY-feedback pathway does not require the stimulated transducer to be methylatable and operates globally on other transducers present in the cell. ^ Assembly of signaling molecules into architecturally defined complexes is considered essential in transmission of the signals. The spectroscopic characteristics of SRI were exploited to study the stoichiometric composition in the phototaxis complex SRI-HtrI. A molar ratio of 2.1 HtrI: 1 SRI was obtained, suggesting that only 1 SRI binding site is occupied on the HtrI homodimer. We used gold-immunoelectron microscopy and light fluorescence microscopy to investigate the structural organization and the distribution of other halobacterial transducers. We detected clusters of transducers, usually near the cell's poles, providing a ultrastructural basis for the global effects and intertransducer communication we observe. ^

Nck recruitment to Eph receptor, EphB1/ELK, couples ligand activation to c-Jun kinase.

Eph family receptor tyrosine kinases signal axonal guidance, neuronal bundling, and angiogenesis; yet the signaling systems that couple these receptors to targeting and cell-cell assembly responses are incompletely defined. Functional links to regulators of cytoskeletal structure are anticipated based on receptor mediated cell-cell aggregation and migratory responses. We used two-hybrid interaction cloning to identify EphB1-interactive proteins. Six independent cDNAs encoding the SH2 domain of the adapter protein, Nck, were recovered in a screen of a murine embryonic library. We mapped the EphB1 subdomain that binds Nck and its Drosophila homologue, DOCK, to the juxtamembrane region. Within this subdomain, Tyr594 was required for Nck binding. In P19 embryonal carcinoma cells, activation of EphB1 (ELK) by its ligand, ephrin-B1/Fc, recruited Nck to native receptor complexes and activated c-Jun kinase (JNK/SAPK). Transient overexpression of mutant EphB1 receptors (Y594F) blocked Nck recruitment to EphB1, attenuated downstream JNK activation, and blocked cell attachment responses. These findings identify Nck as an important intermediary linking EphB1 signaling to JNK.

The relationship between the mismatch negativity (MMN) and psycholinguistic models of spoken word processing

Background: The results from previous studies have indicated that a pre-attentive component of the event-related potential (ERP), the mismatch negativity (MMN), may be an objective measure of the automatic auditory processing of phonemes and words. Aims: This article reviews the relationship between the MMN data and psycholinguistic models of spoken word processing, in order to determine whether the MMN may be used to objectively pinpoint spoken word processing deficits in individuals with aphasia. Main Contribution: This article outlines the ways in which the MMN data support psycholinguistic models currently used in the clinical management of aphasic individuals. Furthermore, the cell assembly model of the neurophysiological mechanisms underlying spoken word processing is discussed in relation to the MMN and psycholinguistic models. Conclusions: The MMN data support current theoretical psycholinguistic and neurophysiological models of spoken word processing. Future MMN studies that include normal and aphasic populations will further elucidate the role that the MMN may play in the clinical management of aphasic individuals.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Cell Surface Assembly of HIV gp41 Six-Helix Bundles for Facile, Quantitative Measurements of Hetero-oligomeric Interactions

Helix helix interactions are fundamental to many biological signals and systems and are found in homo- or heteromultimerization of signaling molecules as well as in the process of virus entry into the host. In HIV, virus-host membrane fusion during infection is mediated by the formation of six-helix bundles (6HBs) from homotrimers of gp41, from which a number of synthetic peptides have been derived as antagonists of virus entry. Using a yeast surface two-hybrid (YS2H) system, a platform designed to detect protein-protein interactions occurring through a secretory pathway, we reconstituted 6HB complexes on the yeast surface, quantitatively measured the equilibrium and kinetic constants of soluble 6HB, and delineated the residues influencing homo-oligomeric and hetero-oligomeric coiled-coil interactions. Hence, we present YS2H as a platform for the facile characterization and design of antagonistic peptides for inhibition of HIV and many other enveloped viruses relying on membrane fusion for infection, as well as cellular signaling events triggered by hetero-oligomeric coiled coils.

BT-benzo-29 inhibits bacterial cell proliferation by perturbing FtsZ assembly

We have identified a potent antibacterial agent N-(4-sec-butylphenyl)-2-(thiophen-2-yl)-1H-benzod]imidazole-4-carboxa mide (BT-benzo-29) from a library of benzimidazole derivatives that stalled bacterial division by inhibiting FtsZ assembly. A short (5 min) exposure of BT-benzo-29 disassembled the cytokinetic Z-ring in Bacillus subtilis cells without affecting the cell length and nucleoids. BT-benzo-29 also perturbed the localization of early and late division proteins such as FtsA, ZapA and SepF at the mid-cell. Further, BT-benzo-29 bound to FtsZ with a dissociation constant of 24 +/- 3 m and inhibited the assembly and GTPase activity of purified FtsZ. A docking analysis suggested that BT-benzo-29 may bind to FtsZ at the C-terminal domain near the T7 loop. BT-benzo-29 displayed significantly weaker inhibitory effects on the assembly and GTPase activity of two mutants (L272A and V275A) of FtsZ supporting the prediction of the docking analysis. Further, BT-benzo-29 did not appear to inhibit DNA duplication and nucleoid segregation and it did not perturb the membrane potential of B. subtilis cells. The results suggested that BT-benzo-29 exerts its potent antibacterial activity by inhibiting FtsZ assembly. Interestingly, BT-benzo-29 did not affect the membrane integrity of mammalian red blood cells. BT-benzo-29 bound to tubulin with a much weaker affinity than FtsZ and exerted significantly weaker effects on mammalian cells than on the bacterial cells indicating that the compound may have a strong antibacterial potential.

Component-based approach to the holonic control of a robot assembly cell

The aim of this paper is to describe the implementation of a new approach for the introduction of so called 'holonic manufacturing' principles into existing production control systems. Such an approach is intended to improve the reconfigurability of the control system to cope with the increasing requirements of production change. A conceptual architecture is described and implemented in a robot assembly cell to demonstrate that this approach can lead to a manufacturing control system which can adapt relatively simply to long-term change. A design methodology and migration strategy for achieving these solutions using conventional hardware is proposed to develop execution level of manufacturing control systems.

The association of the Arabidopsis actin-related protein (ARP) 2/3 complex with cell membranes is linked to its assembly status but not its activation

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