Mutational analysis of cysteine-rich domains of the epithelium sodium channel (ENaC). Identification of cysteines essential for channel expression at the cell surface.

One of the characteristic features of the structure of the epithelial sodium channel family (ENaC) is the presence of two highly conserved cysteine-rich domains (CRD1 and CRD2) in the large extracellular loops of the proteins. We have studied the role of CRDs in the functional expression of rat alphabetagamma ENaC subunits by systematically mutating cysteine residues (singly or in combinations) into either serine or alanine. In the Xenopus oocyte expression system, mutations of two cysteines in CRD1 of alpha, beta, or gamma ENaC subunits led to a temperature-dependent inactivation of the channel. In CRD1, one of the cysteines of the rat alphaENaC subunit (Cys158) is homologous to Cys133 of the corresponding human subunit causing, when mutated to tyrosine (C133Y), pseudohypoaldosteronism type 1, a severe salt-loosing syndrome in neonates. In CRD2, mutation of two cysteines in alpha and beta but not in the gamma subunit also produced a temperature-dependent inactivation of the channel. The main features of the mutant cysteine channels are: (i) a decrease in cell surface expression of channel molecules that parallels the decrease in channel activity and (ii) a normal assembly or rate of degradation as assessed by nondenaturing co-immunoprecipitation of [35S]methionine-labeled channel protein. These data indicate that the two cysteines in CRD1 and CRD2 are not a prerequisite for subunit assembly and/or intrinsic channel activity. We propose that they play an essential role in the efficient transport of assembled channels to the plasma membrane.

Control of calcium homeostasis in Schistosoma mansoni

Calcium signalling is fundamental for muscular contractility of Schistosoma mansoni. We have previously described the presence of transport ATPases (Na+,K+-ATPase and (Ca2+-Mg2+)-ATPase) and calcium channels (ryanodine receptors - RyR) involved in control of calcium homeostasis in this worm. Here we briefly review the main technics (ATPase activity, binding with specific radioligands, fluxes of 45Ca2+ and whole worm contractions) and results obtained in order to compare the distribution patterns of these proteins: thapsigargin-sensitive (Ca2+-Mg2+)-ATPase activity and RyR co-purified in P1 and P4 fractions mainly, which is compatible with a sarcoplasmic reticulum localization, while basal ATPase (along with Na+,K+-ATPase) and thapsigargin-resistant (Ca2+-Mg2+)-ATPase have a distinct distribution, indicative of their plasma membrane localization. Finally we attempt to integrate these contributions with data from other groups in order to propose the first synoptic model for control of calcium homeostasis in S. mansoni.

Dissociation of AGAT, GAMT and SLC6A8 in CNS: relevance to creatine deficiency syndromes.

AGAT and GAMT, the two enzymes of the creatine synthesis pathway, are well expressed within CNS, suggesting autonomous brain creatine synthesis. This contradicts SLC6A8 deficiency, which causes creatine deficiency despite CNS expression of AGAT and GAMT. We hypothesized that AGAT and GAMT were not co-expressed by brain cells, and that guanidinoacetate must be transported between cells to allow creatine synthesis. We finely analyzed the cell-to-cell co-expression of AGAT, GAMT and SLC6A8 in various regions of rat CNS, and showed that in most structures, cells co-expressing AGAT+GAMT (equipped for autonomous creatine synthesis) were in low proportions (<20%). Using reaggregating brain cell cultures, we also showed that brain cells take up guanidinoacetate and convert it to creatine. Guanidinoacetate uptake was competed by creatine. This suggests that in most brain regions, guanidinoacetate is transported from AGAT- to GAMT-expressing cells through SLC6A8 to allow creatine synthesis, thereby explaining creatine deficiency in SLC6A8-deficient CNS.

Regulation of the epithelial Na+ channel ENaC by Tsg101 in renal epithelial cells

Kidneys are the main regulator of salt homeostasis and blood pressure. In the distal region of the tubule active Na-transport is finely tuned. This transport is regulated by various hormonal pathways including aldosterone that regulates the reabsorption at the level of the ASDN, comprising the late DCT, the CNT and the CCD. In the ASDN, the amiloride-sensitive epithelial Na-channel (ENaC) plays a major role in Na-homeostasis, as evidenced by gain-of function mutations in the genes encoding ENaC, causing Liddle's syndrome, a severe form of salt-sensitive hypertension. In this disease, regulation of ENaC is compromised due to mutations that delete or mutate a PY-motif in ENaC. Such mutations interfere with Nedd4-2- dependent ubiquitylation of ENaC, leading to reduced endocytosis of the channel, and consequently to increased channel activity at the cell surface. After endocytosis ENaC is targeted to the lysosome and rapidly degraded. Similarly to other ubiquitylated and endocytosed plasma membrane proteins (such as the EGFR), it is likely that the multi-protein complex system ESCRT is involved. To investigate the involvement of this system we tested the role of one of the ESCRT proteins, Tsg101. Here we show that Tsg101 interacts endogenously and in transfected HEK-293 cells with all three ENaC sub-units. Furthermore, mutations of cytoplasmic lysines of ENaC subunits lead to the disruption of this interaction, indicating a potential involvement of ubiquitin in Tsg101 / ENaC interaction. Tsg101 knockdown in renal epithelial cells increases the total and cell surface pool of ENaC, thus implying TsglOl and consequently the ESCRT system in ENaC degradation by the endosomal/lysosomal system. - Les reins sont les principaux organes responsables de la régulation de la pression artérielle ainsi que de la balance saline du corps. Dans la région distale du tubule, le transport actif de sodium est finement régulé. Ce transport est contrôlé par plusieurs hormones comme l'aldostérone, qui régule la réabsorption au niveau de l'ASDN, segment comprenant la fin du DCT, le CNT et le CCD. Dans l'ASDN, le canal à sodium épithélial sensible à l'amiloride (ENaC) joue un rôle majeur dans l'homéostasie sodique, comme cela fut démontré par les mutations « gain de fonction » dans les gênes encodant ENaC, causant ainsi le syndrome de Liddle, une forme sévère d'hypertension sensible au sel. Dans cette maladie, la régulation d'ENaC est compromise du fait des mutations qui supprime ou mute le domaine PY présent sur les sous-unités d'ENaC. Ces mutations préviennent l'ubiquitylation d'ENaC par Nedd4-2, conduisant ainsi à une baisse de l'endocytose du canal et par conséquent une activité accrue d'ENaC à la surface membranaire. Après endocytose, ENaC est envoyé vers le lysosome et rapidement dégradé. Comme d'autres protéines membranaires ubiquitylées et endocytées (comme l'EGFR), il est probable que le complexe multi-protéique ESCRT est impliqué dans le transport d'ENaC au lysosome. Pour étudier l'implication du système d'ESCRT dans la régulation d'ENaC nous avons testé le rôle d'une protéine de ces complexes, TsglOl. Notre étude nous a permis de démontrer que TsglOl se lie aux trois sous-unités ENaC aussi bien en co-transfection dans des cellules HEK-293 que de manière endogène. De plus, nous avons pu démontrer l'importance de l'ubiquitine dans cette interaction par la mutation de toutes les lysines placées du côté cytoplasmique des sous-unités d'ENaC, empêchant ainsi l'ubiquitylation de ces sous-unités. Enfin, le « knockdown » de TsglOl dans des cellules épithéliales de rein induit une augmentation de l'expression d'ENaC aussi bien dans le «pool» total qu'à la surface membranaire, indiquant ainsi un rôle pour TsglOl et par conséquent du système d'ESCRT dans la dégradation d'ENaC par la voie endosome / lysosome. - Le corps humain est composé d'organes chacun spécialisé dans une fonction précise. Chaque organe est composé de cellules, qui assurent la fonction de l'organe en question. Ces cellules se caractérisent par : - une membrane qui leur permet d'isoler leur compartiment interne (milieu intracellulaire ou cytoplasme) du liquide externe (milieu extracellulaire), - un noyau, où l'ADN est situé, - des protéines, sortent d'unités fonctionnelles ayant une fonction bien définie dans la cellule. La séparation entre l'extérieure et l'intérieure de la cellule est essentielle pour le maintien des composants de ces milieux ainsi que pour la bonne fonction de l'organisme et des cellules. Parmi ces composants, le sodium joue un rôle essentiel car il conditionne le maintien de volume sanguin en participant au maintien du volume extracellulaire. Une augmentation du sodium dans l'organisme provoque donc une augmentation du volume sanguin et ainsi provoque une hypertension. De ce fait, le contrôle de la quantité de sodium présente dans l'organisme est essentiel pour le bon fonctionnement de l'organisme. Le sodium est apporté par l'alimentation, et c'est au niveau du rein que va s'effectuer le contrôle de la quantité de sodium qui va être retenue dans l'organisme pour le maintien d'une concentration normale de sodium dans le milieu extracellulaire. Le rein va se charger de réabsorber toutes sortes de solutés nécessaires pour l'organisme avant d'évacuer les déchets ou le surplus de ces solutés en produisant l'urine. Le rein va se charger de réabsorber le sodium grâce à différentes protéines, parmi elle, nous nous sommes intéressés à une protéine appelée ENaC. Cette protéine joue un rôle important dans la réabsorption du sodium, et lorsqu'elle fonctionne mal, comme il a pu être observé dans certaines maladies génétiques, il en résulte des problèmes d'hypo- ou d'hypertension. Les problèmes résultant du mauvais fonctionnement de cette protéine obligent donc la cellule à réguler efficacement ENaC par différents mécanismes, notamment en diminuant son expression et en dégradant le « surplus ». Dans cette travail de thèse, nous nous sommes intéressés au mécanisme impliqué dans la dégradation d'ENaC et plus précisément à un ensemble de protéines, appelé ESCRT, qui va se charger « d'escorter » une protéine vers un sous compartiment à l'intérieur de la cellule ou elle sera dégradée.

Immunocytochemical localization of the glucose transporter 2 (GLUT2) in the adult rat brain. II. Electron microscopic study.

Following a former immunohistochemical study in the rat brain [Arluison, M., Quignon, M., Nguyen, P., Thorens, B., Leloup, C., Penicaud, L. Distribution and anatomical localization of the glucose transporter 2 (GLUT2) in the adult rat brain. I. Immunohistochemical study. J. Chem. Neuroanat., in press], we have analyzed the ultrastructural localization of GLUT2 in representative and/or critical areas of the forebrain and hindbrain. In agreement with previous results, we observe few oligodendrocyte and astrocyte cell bodies discretely labeled for GLUT2 in large myelinated fibre bundles and most brain areas examined, whereas the reactive glial processes are more numerous and often localized in the vicinity of nerve terminals and/or dendrites or dendritic spines forming synaptic contacts. Only some of them appear closely bound to unlabeled nerve cell bodies and dendrites. Furthermore, the nerve cell bodies prominently immunostained for GLUT2 are scarce in the brain nuclei examined, whereas the labeled dendrites and dendritic spines are relatively numerous and frequently engaged in synaptic junctions. In conformity with the observation of GLUT2-immunoreactive rings at the periphery of numerous nerve cell bodies in various brain areas (see previous paper), we report here that some neuronal perikarya of the dorsal endopiriform nucleus/perirhinal cortex exhibit some patches of immunostaining just below the plasma membrane. However, the presence of many GLUT2-immunoreactive nerve terminals and/or astrocyte processes, some of them being occasionally attached to nerve cell bodies and dendrites, could also explain the pericellular labeling observed. The results here reported support the idea that GLUT2 may be expressed by some cerebral neurones possibly involved in glucose sensing, as previously discussed. However, it is also possible that this transporter participate in the regulation of neurotransmitter release and, perhaps, in the release of glucose by glial cells.

Rac2 GTPase activation by angiotensin II is modulated by Ca2C/calcineurin and mitogen-activated protein kinases in human neutrophils

Angiotensin II (Ang II) highly stimulates superoxide anion production by neutrophils. The G-protein Rac2 modulates the activity of NADPH oxidase in response to various stimuli. Here, we describe that Ang II induced both Rac2 translocation from the cytosol to the plasma membrane and Rac2 GTP-binding activity. Furthermore, Clostridium difficile toxin A, an inhibitor of the Rho-GTPases family Rho, Rac and Cdc42, prevented Ang II-elicited O2-/ROS production, phosphorylation of the mitogen-activated protein kinases (MAPKs) p38, extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) and c-Jun N-terminal kinase 1/2, and Rac2 activation. Rac2 GTPase inhibition by C. difficile toxin A was accompanied by a robust reduction of the cytosolic Ca(2)(+) elevation induced by Ang II in human neutrophils. Furthermore, SB203580 and PD098059 act as inhibitors of p38MAPK and ERK1/2 respectively, wortmannin, an inhibitor of phosphatidylinositol-3-kinase, and cyclosporin A, a calcineurin inhibitor, hindered both translocation of Rac2 from the cytosol to the plasma membrane and enhancement of Rac2 GTP-binding elicited by Ang II. These results provide evidence that the activation of Rac2 by Ang II is exerted through multiple signalling pathways, involving Ca(2)(+)/calcineurin and protein kinases, the elucidation of which should be insightful in the design of new therapies aimed at reversing the inflammation of vessel walls found in a number of cardiovascular diseases.

Genetic evidence that the higher plant Rab-D1 and Rab-D2 GTPases exhibit distinct but overlapping interactions in the early secretory pathway.

GTPases of the Rab1 subclass are essential for membrane traffic between the endoplasmic reticulum (ER) and Golgi complex in animals, fungi and plants. Rab1-related proteins in higher plants are unusual because sequence comparisons divide them into two putative subclasses, Rab-D1 and Rab-D2, that are conserved in monocots and dicots. We tested the hypothesis that the Rab-D1 and Rab-D2 proteins of Arabidopsis represent functionally distinct groups. RAB-D1 and RAB-D2a each targeted fluorescent proteins to the same punctate structures associated with the Golgi stacks and trans-Golgi-network. Dominant-inhibitory N121I mutants of each protein inhibited traffic of diverse cargo proteins at the ER but they appeared to act via distinct biochemical pathways as biosynthetic traffic in cells expressing either of the N121I mutants could be restored by coexpressing the wild-type form of the same subclass but not the other subclass. The same interaction was observed in transgenic seedlings expressing RAB-D1 [N121I]. Insertional mutants confirmed that the three Arabidopsis Rab-D2 genes were extensively redundant and collectively performed an essential function that could not be provided by RAB-D1, which was non-essential. However, plants lacking RAB-D1, RAB-D2b and RAB-D2c were short and bushy with low fertility, indicating that the Rab-D1 and Rab-D2 subclasses have overlapping functions.

Light-induced phosphorylation of a membrane protein plays an early role in signal transduction for phototropism in Arabidopsis thaliana.

Blue light is known to cause rapid phosphorylation of a membrane protein in etiolated seedlings of several plant species, a protein that, at least in etiolated pea seedlings and maize coleoptiles, has been shown to be associated with the plasma membrane. The light-driven phosphorylation has been proposed on the basis of correlative evidence to be an early step in the signal transduction chain for phototropism. In the Arabidopsis thaliana mutant JK224, the sensitivity to blue light for induction of first positive phototropism is known to be 20- to 30-fold lower than in wild type, whereas second positive curvature appears to be normal. While light-induced phosphorylation can be demonstrated in crude membrane preparations from shoots of the mutant, the level of phosphorylation is dramatically lower than in wild type, as is the sensitivity to blue light. Another A. thaliana mutant, JK218, that completely lacks any phototropic responses to up to 2 h of irradiation, shows a normal level of light-induced phosphorylation at saturation. Since its gravitropic sensitivity is normal, it is presumably blocked in some step between photoreception and the confluence of the signal transduction pathways for phototropism and gravitropism. We conclude from mutant JK224 that light-induced phosphorylation plays an early role in the signal transduction chain for phototropism in higher plants.

Étude de la fonction de GLUT8 sur un modèle de souris "knock-out"

Résumé GLUT8 est la première des nouvelles isoformes des GLUT récemment identifiés. Il est fortement exprimé dans les testicules et plus faiblement dans les blastocystes, le cerveau, particulièrement au niveau de l'hippocampe, et le coeur. En conditions basales, il est retenu dans un compartiment intracellulaire. Si on l'exprime en surface cellulaire, par la mutation du motif d'internalisation dileucine, il transporte le glucose avec une bonne affinité. Dans le but d'étudier sa fonction au niveau de l'organisme, nous avons créé un modèle de knock out conditionnel, en entourant le dernier exon du gène de GLUT8 par deux sites loxP. En croisant nos souris avec une souche de souris transgénique exprimant la cre-recombinase dans les cellules de la lignée germinale, nous avons généré un modèle de souris portant la délétion totale de GLUT8 de manière constitutionnelle. Les statistiques effectuées sur les premières naissances indiquent qu'une partie des souris knock out ne survit pas, suggérant un rôle de GLUT8 au niveau du développement embryonnaire. Les souris qui ont survécu ne présentent toutefois pas d'anomalies durant la croissance et sont fertiles. Elles ont des taux de glucose et d'insuline sanguins normaux. Au niveau cérébral, la structure de l'hippocampe n'est pas modifiée par la suppression de GLUT8, cependant, les souris GLUT8-/- présentent une prolifération cellulaire augmentée dans le gyrus denté. Cette augmentation de division cellulaire pourrait être la réponse adaptée à une éventuelle augmentation de la mort cellulaire au niveau de l'hippocampe. Elles ne semblent toutefois pas présenter de défauts cognitifs majeurs dans le bassin de Morris en conditions normales. Toutefois, en conditions de jeûne, elles tendent à une meilleure mémorisation à court terme. Les études morphologiques et histologiques au niveau cardiaque n'ont pas révélé de d'hypertrophie au niveau ventriculaire. La stimulation de la contraction à l'isoprotérénol n'a pas mis en évidence de défaut d'adaptation des coeurs GLUT8-/-. Cependant l'analyse fonctionnelle par électrocardiogramme, en conditions basales, a montré une augmentation de la durée de l'onde P, suggérant un défaut dans la dépolarisation des oreillettes. Nos résultats indiquent que GLUT8 ne joue pas un rôle prédominant dans la survie et la fonction basale des souris. Il pourrait jouer un rôle plus important dans des situations stressantes pour l'organisme, comme l'hypoglycémie ou les conditions d'ischémie qui induiraient son expression à la membrane plasmique et stimuleraient le captage du glucose. Abstract GLUT8 was the first of the recently identified isoform of the GLUT family proteins. It is strongly expressed in the testis. It is also found at a lower level in the blastocyst, in heart and in the brain. Under basal conditions, it is retained in the intracellular compartment, but when the internalization motif dileucine is mutated, GLUT8 translocates to the plasma membrane and transports glucose with a relatively high affinity. To study its function in vivo, we created a conditional knock out mouse model. To do so, we targeted the last exon of the GLUT8 gene with two loxP sites. We then crossed these mice with a transgenic model expressing the cre-recombinase in the gem' line to generate a constitutional total knock out mouse. The statistics made on the first breedings showed that some of the knock out mice do not survive, suggesting a role of GLUT8 in the embryonic development. Conversely mice who survive do not show developmental defects and they are fertile with normal glucose and insulin blood levels. In the brain, the general structure of the hippocampus is not modified by the deletion of GLUT8. However, GLUT8-/- mice show an increase in the cell proliferation in the dentate gyms. This cell proliferation could be due to an increase in the cell death in the hippocampus. When tested in the morris water maze, these mice do not show any cognitive defects in the basal conditions, but they have a tendency to learn better in fasted conditions. The morphological and histological studies made at the heart level did not show any cardiac hypertrophy in the ventricles. The stimulation with isoproterenol did not show any adaptation defects in the GLUT8-/- hearts. However, the functional analysis made in basal conditions with the electrocardiogram showed an increase in the P wave length, suggesting a defect in the atrial depolarization in the knock out mice. Overall, our results show that GLUT8 does not play an important role in the basal general functions in the mice, but might play a more important role during whole organism stress. Hypoglycaemia or ischemia, for example could stimulate the GLUT8 translocation to the plasma membrane to increase specifically glucose uptake. Résumé tout public Les différentes cellules de l'organisme possèdent des propriétés particulières, qui leur permettent de maintenir les fonctions de l'organe auquel elles appartiennent. La membrane plasmique qui les délimite sélectionne les substances qui vont pénétrer à l'intérieur de la cellule et permet ainsi de maintenir un environnement interne constant. Le glucose est une source d'énergie importante pour la cellule et doit pouvoir pénétrer à l'intérieur de la cellule. Il utilise pour cela des protéines de transport qui le feront passer de part et d'autre de la membrane. Les protéines de la famille des GLUT (pour GLUcose Transporter) possèdent cette capacité. GLUT8 est un membre de la famille des GLUT identifié récemment. Il possède la capacité de transporter le glucose quand il se présente à la surface de la cellule. Il est principalement exprimé dans les testicules, dans le coeur et le cerveau et durant le développement embryonnaire. Son rôle n'est toutefois pas encore défini. Ce travail consiste à étudier la fonction de GLUT8 au niveau de l'organisme entier. Nous avons créé un modèle de souris dans lesquelles l'expression de GLUT8 a été supprimée pour mettre en évidence son importance dans le maintien de l'intégrité des fonctions du corps. Les observations effectuées sur les souris qui n'expriment plus GLUT8 nous indiquent que leurs cellules prolifèrent plus vite au niveau de l'hippocampe. L'hippocampe est une structure située dans le cerveau qui est impliquée dans les phénomènes d'apprentissage. Les souris qui ont été testées dans des tâches d'apprentissage n'ont malgré cela pas montré une amélioration de la mémorisation. Dans le coeur, la suppression de GLUT8 semble présenter un défaut quand on mesure l'activité électrique du coeur par électrocardiogramme. Toutefois, ils fonctionnent normalement et ne présentent pas de défauts morphologiques en conditions normales. Les expériences effectuées sur les modèles de souris indiquent que GLUT8 ne jouerait pas un rôle prédominant dans le fonctionnement normal du corps. Il pourrait exercer sa fonction dans des situations plus particulières comme l'hypoglycémie, où il permettrait une meilleure capacité à transporter le glucose dans les cellules.

Compartmentalization in membrane rafts defines a pool of N-cadherin associated with catenins and not engaged in cell-cell junctions in melanoma cells.

Melanoma progression is associated with changes in adhesion receptor expression, in particular upregulation of N-cadherin which promotes melanoma cell survival and invasion. Plasma membrane lipid rafts contribute to the compartmentalization of signaling complexes thereby regulating their function, but how they may affect the properties of adhesion molecules remains elusive. In this study, we addressed the question whether lipid rafts in melanoma cells may contribute to the compartmentalization of N-cadherin. We show that a fraction of N-cadherin in a complex with catenins is associated with cholesterol/sphingolipid-rich membrane microdomains in aggressive melanoma cells in vitro and experimental melanomas in vivo. Partitioning of N-cadherin in membrane rafts is not modulated by growth factors and signaling pathways relevant to melanoma progression, is not necessary for cell-cell junctions' establishment or maintenance, and is not affected by cell-cell junctions' and actin cytoskeleton disruption. These results reveal that two independent pools of N-cadherin exist on melanoma cell surface: one pool is independent of lipid rafts and is engaged in cell-cell junctions, while a second pool is localized in membrane rafts and does not participate in cell-cell adhesions. Targeting to membrane rafts may represent a previously unrecognized mechanism regulating N-cadherin function in melanoma cells.

Molecular mechanism of myosin Va recruitment to dense core secretory granules.

The brain-spliced isoform of Myosin Va (BR-MyoVa) plays an important role in the transport of dense core secretory granules (SGs) to the plasma membrane in hormone and neuropeptide-producing cells. The molecular composition of the protein complex that recruits BR-MyoVa to SGs and regulates its function has not been identified to date. We have identified interaction between SG-associated proteins granuphilin-a/b (Gran-a/b), BR-MyoVa and Rab27a, a member of the Rab family of GTPases. Gran-a/b-BR-MyoVa interaction is direct, involves regions downstream of the Rab27-binding domain, and the C-terminal part of Gran-a determines exon specificity. MyoVa and Gran-a/b are partially colocalised on SGs and disruption of Gran-a/b-BR-MyoVa binding results in a perinuclear accumulation of SGs which augments nutrient-stimulated hormone secretion in pancreatic beta-cells. These results indicate the existence of at least another binding partner of BR-MyoVa that was identified as rabphilin-3A (Rph-3A). BR-MyoVa-Rph-3A interaction is also direct and enhanced when secretion is activated. The BR-MyoVa-Rph-3A and BR-MyoVa-Gran-a/b complexes are linked to a different subset of SGs, and simultaneous inhibition of these complexes nearly completely blocks stimulated hormone release. This study demonstrates that multiple binding partners of BR-MyoVa regulate SG transport, and this molecular mechanism is universally used by neuronal, endocrine and neuroendocrine cells.

"In vitro" reconstitution of the fragmentation of vacuoles

Résumé La fragmentation des membranes est un processus commun à beaucoup d'organelles dans une cellule. Les mitochondries, le noyau, le réticulum endoplasmique, les phagosomes, les peroxisomes, l'appareil de Golgi et les lysosomes (vacuoles chez la levure) se fragmentent en plusieurs copies en réponse à des sitmulis environnementaux, tels que des stresses, ou dans une situtation normale durant le cycle cellulaire, afin d' être transférer dans les cellules filles. La fragmentation des membranes est également observée pendant le processus d'endocytose, lors de la formation de vésicules endocytiques, mais également dans tout le traffic intracellulaire, lors de la genèse d'une vésicule de transport. Le processus de fragmentation est donc généralement important. La découverte en 1991 d'une dynamin-like GTPase comme protéine impliquée dans la fragmentation de la membrane plasmique durant l'endocytose a ouvert ce domaine de recherche. Dès lors des dynamines ont été découvertes sur la pluspart des organelles, ce qui suggère un processus de fragmentation des membranes commun à l'ensemble de la cellule. Cependant, l'ensemble des protéines impliquées ainsi que le mécanisme de la fragmentation reste encore à élucider. Mon projet de thèse était d'établir un test in vitro de fragmentation des vacuoles utile à la compréhension du mécanisme de ce processus. Le choix de ce système est judicieux pour plusieurs raisons; premièrement les vacuoles fragmentent naturellement durant le cycle cellulaire, deuxièment leur taille permet de visualiser facilement leur morphologie par simple microscopie optique, finalement elles peuvent être isolées en quantité intéressante avec un haut degré de pureté. In vivo, les vacuoles peuvent être facilement fragmentées par un stress osmotique. Un tel test permet d'identifier des protéines impliquées dans le mécanisme comme dans le criblage que j'ai effectué sur l'ensemble de la collection de délétions des gènes non-essentiels chez la levure. Cependant un test in vitro est ensuite indispensable pour jouer avec les protéines découvertes afin d'en élucider le mécanisme. Avec mon test in vitro, j'ai confirmé l'implication des protéines SNAREs dans la fragmentation et j'ai permis de comprendre la régulation de la quantité de vacuoles et de leur taille par le complexe TORC1 dans une situation de stress. 7 Résumé large public Les cellules de chaque organisme sont composées de différents compartiments appelés organelles. Chacun possède une fonction bien définie afin de permettre la vie et la croissance de la cellule. Ils sont entourés de membrane, qui joue le role de barrière spécifiquement perméable, afin de garder l'intégrité de chacun. Dans des conditions de croissance normale, les cellules prolifèrent. Durant la division cellulaire amenant à la formation d'une nouvelle cellule, chaque organelle doit se diviser afin de fournir l'ensemble des organelles à la cellule fille. La division de chaque organelle nécessite la fragmentation de la membrane les entourant. Des protéines dynamine-like GTPase ont été découvertes sur presque l'ensemble des organelles d'une cellule. Elles sont impliquées dans les processus de fragmentation des membranes. Dès lors l'idée d'un mécanisme commun est apparu. Cependant cette réaction, par sa complexité, ne peut pas impliquer une protéine unique. La découverte d'autres facteurs et la compréhension du mécanisme reste à faire. La première étape peut se faire par étude in vivo, c'est-à-dire avec des cellules entières, la deuxième étape, quant à elle, nécessite d'isoler les protéines impliquées et de jouer avec les différents paramètres, ce qui signifie donc un travail in vitro, séparé des cellules. Mon travail a constisté à établir un procédé expérimental in vitro pour étudier la fragmentation des membranes. Je travaille avec des vacuoles de levures pour étudier les réactions membranaires. Les vacuoles sont les plus grandes organelles présentes dans les levures. Elles sont impliquées principalement dans la digestion. Comme toute organelle, elles se fragmentent durant la division cellulaire. Le procédé expérimental comporte une première étape, l'isolation des vacuoles et, deuxièmement, l'incubation de celles-ci avec des composés essentiels à la réaction. En parallèle, j'ai mis en évidence, par un travail in vivo, de nouvelles protéines impliquées dans le processus de fragmentation des membranes. Ceci a été fait en réalisant un criblage par microscopie d'une collection de mutants. Parmi ces mutants, j'ai cherché ceux qui présentaient un défaut dans la fragmentation des vacuoles. Ces deux procédés expérimentaux, in vitro et in vivo, m'ont permis de découvrir de nouvelles protéines impliquées dans cette réaction, ainsi que de mettre en évidence un mécanisme utlilisé par la cellule pour réguler la fragmentation des vacuoles. 8 Summary Fragmentation of membranes is common for many organelles in a cell. Mitochondria, nucleus, endoplasmic reticulum, phagosomes, peroxisomes, Golgi and lysosomes (vacuoles in yeast) fragment into multiple copies in response to environmental stimuli, such as stresses, or in a normal situation during the cell cycle in order to be transferred into the daughter cell. Fragmentation of membrane occurs during endocytosis, at the latest step in endocytic vesicle formation, and also in intracellular trafficking, when traffic vesicles bud. This field of research was opened in 1991 when a dynamin-like GTPase was found to be involved in fragmentation of the plasma membrane during endocytosis. Since dynamin-like GTPases have been found on most organelles, similarities in their mechanisms of fragmentation might exist. However, many proteins involved in the mechanism of fragmentation remain unknown. My thesis project was to establish an in vitro assay for membrane fragmentation in order to create a tool to study the mechanism of this process. I chose vacuoles as a model organelle for several reasons: first of all, vacuoles fragment under physiological conditions during cell cycle, secondly their size makes their morphology easily visible under the light microscope, and finally vacuoles can be isolated in good amounts with relatively high degrees of purity. In vivo, vacuole fragmentation can be induced with an osmotic shock. Such a simple assay facilitates the identification of new proteins involved in the process. I used this tool to screen of the entire knockout collection of non-essential genes in Saccharomyces cerevisiae for mutants defective in vacuole fragmentation. The in vitro system will be useful to characterize the mutants and to study the mechanism of fragmentation in detail. I used my in vitro assay to confirm the involvement of vacuolar SNARE proteins in fragmentation of the organelle and to uncover that number and size of vacuoles in the cell is regulated by the TORC1 complex via selective stimulation of fragmentation activity.

Cell-free reconstitution of vacuole membrane fragmentation reveals regulation of vacuole size and number by TORC1.

Size and copy number of organelles are influenced by an equilibrium of membrane fusion and fission. We studied this equilibrium on vacuoles-the lysosomes of yeast. Vacuole fusion can readily be reconstituted and quantified in vitro, but it had not been possible to study fission of the organelle in a similar way. Here we present a cell-free system that reconstitutes fragmentation of purified yeast vacuoles (lysosomes) into smaller vesicles. Fragmentation in vitro reproduces physiological aspects. It requires the dynamin-like GTPase Vps1p, V-ATPase pump activity, cytosolic proteins, and ATP and GTP hydrolysis. We used the in vitro system to show that the vacuole-associated TOR complex 1 (TORC1) stimulates vacuole fragmentation but not the opposing reaction of vacuole fusion. Under nutrient restriction, TORC1 is inactivated, and the continuing fusion activity then dominates the fusion/fission equilibrium, decreasing the copy number and increasing the volume of the vacuolar compartment. This result can explain why nutrient restriction not only induces autophagy and a massive buildup of vacuolar/lysosomal hydrolases, but also leads to a concomitant increase in volume of the vacuolar compartment by coalescence of the organelles into a single large compartment.

Membrane and walls: who is master, who is servant?

Specialised plant cell types often locally modify their cell walls as part of a developmental program, as do cells that are challenged by particular environmental conditions. Modifications can include deposition of secondary cellulose, callose, cutin, suberin or lignin. Although the biosyntheses of cell wall components are more and more understood, little is known about the mechanisms that control localised deposition of wall materials. During metaxylem vessel differentiation, site-specific cell wall deposition is locally prevented by the microtubule depolymerising protein MIDD1, which disassembles the cytoskeleton and precludes the cellulose synthase complex from depositing cellulose. As a result, metaxylem vessel secondary cell wall appears pitted. How MIDD1 is tethered at the plasma membrane and how other cell wall polymers are locally deposited remain elusive. Casparian strips in the root endodermis represent a further example of local cell wall deposition. The recent discovery of the Casparian Strip membrane domain Proteins (CASPs), which are located at the plasma membrane and are important for the site-specific deposition of lignin during Casparian strip development, establishes the root endodermis as an attractive model system to study the mechanisms of localised cell wall modifications. How secondary modifications are modulated and monitored during development or in response to environmental changes is another question that still misses a complete picture.

Alum interaction with dendritic cell membrane lipids is essential for its adjuvanticity.

As an approved vaccine adjuvant for use in humans, alum has vast health implications, but, as it is a crystal, questions remain regarding its mechanism. Furthermore, little is known about the target cells, receptors, and signaling pathways engaged by alum. Here we report that, independent of inflammasome and membrane proteins, alum binds dendritic cell (DC) plasma membrane lipids with substantial force. Subsequent lipid sorting activates an abortive phagocytic response that leads to antigen uptake. Such activated DCs, without further association with alum, show high affinity and stable binding with CD4(+) T cells via the adhesion molecules intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) and lymphocyte function-associated antigen-1 (LFA-1). We propose that alum triggers DC responses by altering membrane lipid structures. This study therefore suggests an unexpected mechanism for how this crystalline structure interacts with the immune system and how the DC plasma membrane may behave as a general sensor for solid structures.