Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

Transcriptome and membrane fatty acid analyses reveal different strategies for responding to permeating and non-permeating solutes in the bacterium Sphingomonas wittichii.

ABSTRACT: BACKGROUND: Sphingomonas wittichii strain RW1 can completely oxidize dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans, which are persistent contaminants of soils and sediments. For successful application in soil bioremediation systems, strain RW1 must cope with fluctuations in water availability, or water potential. Thus far, however, little is known about the adaptive strategies used by Sphingomonas bacteria to respond to changes in water potential. To improve our understanding, strain RW1 was perturbed with either the cell-permeating solute sodium chloride or the non-permeating solute polyethylene glycol with a molecular weight of 8000 (PEG8000). These solutes are assumed to simulate the solute and matric components of the total water potential, respectively. The responses to these perturbations were then assessed and compared using a combination of growth assays, transcriptome profiling, and membrane fatty acid analyses. RESULTS: Under conditions producing a similar decrease in water potential but without effect on growth rate, there was only a limited shared response to perturbation with sodium chloride or PEG8000. This shared response included the increased expression of genes involved with trehalose and exopolysaccharide biosynthesis and the reduced expression of genes involved with flagella biosynthesis. Mostly, the responses to perturbation with sodium chloride or PEG8000 were very different. Only sodium chloride triggered the increased expression of two ECF-type RNA polymerase sigma factors and the differential expression of many genes involved with outer membrane and amino acid metabolism. In contrast, only PEG8000 triggered the increased expression of a heat shock-type RNA polymerase sigma factor along with many genes involved with protein turnover and repair. Membrane fatty acid analyses further corroborated these differences. The degree of saturation of membrane fatty acids increased after perturbation with sodium chloride but had the opposite effect and decreased after perturbation with PEG8000. CONCLUSIONS: A combination of growth assays, transcriptome profiling, and membrane fatty acid analyses revealed that permeating and non-permeating solutes trigger different adaptive responses in strain RW1, suggesting these solutes affect cells in fundamentally different ways. Future work is now needed that connects these responses with the responses observed in more realistic scenarios of soil desiccation.

Distal and proximal colon cancers differ in terms of molecular, pathological, and clinical features.

BACKGROUND: Differences exist between the proximal and distal colon in terms of developmental origin, exposure to patterning genes, environmental mutagens, and gut flora. Little is known on how these differences may affect mechanisms of tumorigenesis, side-specific therapy response or prognosis. We explored systematic differences in pathway activation and their clinical implications. MATERIALS AND METHODS: Detailed clinicopathological data for 3045 colon carcinoma patients enrolled in the PETACC3 adjuvant chemotherapy trial were available for analysis. A subset of 1404 samples had molecular data, including gene expression and DNA copy number profiles for 589 and 199 samples, respectively. In addition, 413 colon adenocarcinoma from TCGA collection were also analyzed. Tumor side-effect on anti-epidermal growth factor receptor (EGFR) therapy was assessed in a cohort of 325 metastatic patients. Outcome variables considered were relapse-free survival and survival after relapse (SAR). RESULTS: Proximal carcinomas were more often mucinous, microsatellite instable (MSI)-high, mutated in key tumorigenic pathways, expressed a B-Raf proto-oncogene, serine/threonine kinase (BRAF)-like and a serrated pathway signature, regardless of histological type. Distal carcinomas were more often chromosome instable and EGFR or human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) amplified, and more frequently overexpressed epiregulin. While risk of relapse was not different per side, SAR was much poorer for proximal than for distal stage III carcinomas in a multivariable model including BRAF mutation status [N = 285; HR 1.95, 95% CI (1.6-2.4), P < 0.001]. Only patients with metastases from a distal carcinoma responded to anti-EGFR therapy, in line with the predictions of our pathway enrichment analysis. CONCLUSIONS: Colorectal carcinoma side is associated with differences in key molecular features, some immediately druggable, with important prognostic effects which are maintained in metastatic lesions. Although within side significant molecular heterogeneity remains, our findings justify stratification of patients by side for retrospective and prospective analyses of drug efficacy and prognosis.

Analyses of six homologous proteins of Protochlamydia amoebophila UWE25 encoded by large GC-rich genes (lgr): a model of evolution and concatenation of leucine-rich repeats.

BACKGROUND: Along the chromosome of the obligate intracellular bacteria Protochlamydia amoebophila UWE25, we recently described a genomic island Pam100G. It contains a tra unit likely involved in conjugative DNA transfer and lgrE, a 5.6-kb gene similar to five others of P. amoebophila: lgrA to lgrD, lgrF. We describe here the structure, regulation and evolution of these proteins termed LGRs since encoded by "Large G+C-Rich" genes. RESULTS: No homologs to the whole protein sequence of LGRs were found in other organisms. Phylogenetic analyses suggest that serial duplications producing the six LGRs occurred relatively recently and nucleotide usage analyses show that lgrB, lgrE and lgrF were relocated on the chromosome. The C-terminal part of LGRs is homologous to Leucine-Rich Repeats domains (LRRs). Defined by a cumulative alignment score, the 5 to 18 concatenated octacosapeptidic (28-meric) LRRs of LGRs present all a predicted alpha-helix conformation. Their closest homologs are the 28-residue RI-like LRRs of mammalian NODs and the 24-meres of some Ralstonia and Legionella proteins. Interestingly, lgrE, which is present on Pam100G like the tra operon, exhibits Pfam domains related to DNA metabolism. CONCLUSION: Comparison of the LRRs, enable us to propose a parsimonious evolutionary scenario of these domains driven by adjacent concatenations of LRRs. Our model established on bacterial LRRs can be challenged in eucaryotic proteins carrying less conserved LRRs, such as NOD proteins and Toll-like receptors.

Molecular evolution of the Drosophila olfactory system

The olfactory system is an attractive model to study the genetic mechanisms underlying evolution of the nervous system. This sensory system mediates the detection and behavioural responses to an enormous diversity of volatile chemicals in the environment and displays rapid evolution, as species acquire, modify and discard olfactory receptors and circuits to adapt to new olfactory stimuli. Drosophilids provide an attractive model to study these processes. The availability of 12 sequenced genomes of Drosophila species occupying diverse ecological niches provides a rich resource for genomic analyses. Moreover, one of these species, Drosophila melanogaster, is amenable to a powerful combination of genetic and electrophysiological analyses. D. melanogaster has two distinct families of olfactory receptors to detect odours, the well-characterised Odorant Receptors (ORs) and the recently identified lonotropic Receptors (IRs). In my thesis, I have provided new insights into the genetic mechanisms underlying olfactory system evolution through three distinct, but interrelated projects. First, I performed a comparative genomic analysis of the IR repertoire in 12 sequenced Drosophila species, which has revealed that the olfactory IRs are highly conserved across species. By contrast, a large fraction of IRs that are not expressed in the olfactory system - and which may be gustatory receptors - are much more variable in sequence and gene copy number. Second, to identify ligands for IR expressing olfactory sensory neurons, I have performed an electrophysiological screen in D. melanogaster using a panel of over 160 odours. I found that the IRs respond to a number of amines, aldehydes and acids, contrasting with the chemical specificity of the OR repertoire, which is mainly tuned to esters, alcohols and ketones. Finally, the identification of ligands for IRs in this species allowed me to investigate in detail the molecular and functional evolution of a tandem array of IRs, IR75a/IR75b/IR75c, in D. sechellia. This species is endemic to the Seychelles archipelago and highly specialised to breed on the fruits of Morinda citrifolia, which is repulsive and toxic for other Drosophila species. These studies led me to discover that receptor loss, changes in receptor specificity and changes in receptor expression have likely played an important role during the evolution of these IRs in D. sechellia. These changes may explain, in part, the unique chemical ecology of this species. - Le système olfactif est un excellent modèle pour étudier les mécanismes génétiques impliqués dans l'étude de l'évolution du système nerveux. Ce système sensoriel permet la détection de nombreux composés volatils présents dans l'environnement et est à la base des réponses comportementales. Il est propre à chaque espèce et évolue rapidement en modifiant ou en éliminant des récepteurs et leurs circuits olfactifs correspondants pour s'adapter à de nouvelles odeurs. Pour étudier le système olfactif et son évolution, nous avons décidé d'utiliser la drosophile comme modèle. Le séquençage complet de 12 souches de drosophiles habitant différentes niches écologiques permet une analyse génomique conséquente. De plus, l'une de ces espèces Drosophila melanogaster permet la combinaison d'analyses génétiques et électrophysiologiques. En effet, D. melanogaster possède 2 familles distinctes de récepteurs olfactifs qui permettent la détection d'odeurs: les récepteurs olfactifs (ORs) étant les mieux caractérisés et les récepteurs ionotropiques (IRs), plus récemment identifiés. Au cours de ma thèse, j'ai apporté des nouvelles connaissances qui m'ont permis de mieux comprendre les mécanismes génétiques à la base de l'évolution du système olfactif au travers de trois projets différents, mais interdépendants. Premièrement, j'ai réalisé une analyse génomique comparative de l'ensemble des IRs dans les 12 souches de drosophiles séquencées jusqu'à présent. Ceci a montré que les récepteurs olfactifs IRs sont hautement conservés parmi l'ensemble de ces espèces. Au contraire, une grande partie des IRs qui ne sont pas exprimés dans le système olfactif, et qui semblent être des récepteurs gustatifs, sont beaucoup plus variables dans leur séquence et dans le nombre de copie de gènes. Deuxièmement, pour identifier les ligands des récepteurs IRs exprimés par les neurones sensoriels olfactifs, j'ai réalisé une étude électrophysiologique chez D. melanogaster e η testant l'effet de plus de 160 composés chimiques sur les IRs. J'ai trouvé que les IRs répondent à un nombre d'amines, d'aldéhydes et d'acides, contrairement aux récepteurs olfactifs ORs qui eux répondent principalement aux esthers, alcools et cétones. Finalement, l'identification de ligands pour les IRs dans ces espèces m'a permis d'étudier en détail l'évolution fonctionnelle et moléculaire des IR75a/IR75b/IR75c dans D. sechellia. Cette espèce est endémique de l'archipel des Seychelles et se nourrit spécifiquement du fruit Morinda citrifolia qui est répulsif et toxique pour d'autres souches de drosophiles. Ces études m'ont poussé à découvrir que, la perte de IR75a, le changement dans la spécificité de IR75b ainsi que le changement dans l'expression de IR75c ont probablement joué un rôle important dans l'évolution des IRs chez D. sechellia. Ces changements peuvent expliquer, en partie, l'écologie chimique propre à cette espèce. Résumé français large public Le système olfactif permet aux animaux de détecter des milliers de molécules odorantes, les aidant ainsi à trouver de la nourriture, à distinguer si elle est fraîche ou avariée, à trouver des partenaires sexuels, ainsi qu'à éviter les prédateurs. Selon l'environnement et le mode de vie des espèces, le système olfactif doit détecter des odeurs très diverses ; en effet, un moustique qui recherche du sang humain pour se nourrir doit détecter des odeurs bien différentes d'une abeille qui recherche des fleurs. Dans ma thèse, j'ai essayé de comprendre comment les systèmes olfactifs d'une espèce évoluent pour s'adapter aux exigences induites par son environnement. Un très bon modèle pour étudier cela est la drosophile dont les différentes espèces se nichent dans des habitats très divers. Pour ce faire, j'ai étudié les récepteurs olfactifs de différentes espèces de la drosophile. Ces récepteurs sont des protéines qui se lient à des odeurs spécifiques. Lorsqu'ils se lient, ils activent un neurone qui envoie un signal électrique au cerveau. Ce signal est ensuite traité par ce dernier qui indique à la mouche si l'odeur est attractive ou répulsive. J'ai identifié les récepteurs olfactifs de plusieurs espèces de drosophile et étudié s'il y avait des différences entre elles. La plupart des récepteurs sont similaires entre les espèces, cependant dans l'une d'entre elles, certains récepteurs sont différents. Ce fait est particulièrement intéressant car cette espèce de drosophile se nourrit de fruits que les autres espèces n'apprécient pas. Comme nous ne savons pas quels récepteurs se lient à quelles odeurs, j'ai testé un grand nombre de composants odorants. Ceci m'a permis de constater que, effectivement, certains changements produits dans ces récepteurs expliquent pourquoi cette espèce aime particulièrement ces fruits. En outre, mes résultats contribuent à mieux comprendre les changements génétiques qui sont impliqués dans l'évolution du système olfactif.

High-level molecular diversity of copper-zinc superoxide dismutase genes among and within species of arbuscular Mycorrhizal fungi.

In the ecologically important arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), Sod1 encodes a functional polypeptide that confers increased tolerance to oxidative stress and that is upregulated inside the roots during early steps of the symbiosis with host plants. It is still unclear whether its expression is directed at scavenging reactive oxygen species (ROS) produced by the host, if it plays a role in the fungus-host dialogue, or if it is a consequence of oxidative stress from the surrounding environment. All these possibilities are equally likely, and molecular variation at the Sod1 locus can possibly have adaptive implications for one or all of the three mentioned functions. In this paper, we analyzed the diversity of the Sod1 gene in six AMF species, as well as 14 Glomus intraradices isolates from a single natural population. By sequencing this locus, we identified a large amount of nucleotide and amino acid molecular diversity both among AMF species and individuals, suggesting a rapid divergence of its codons. The Sod1 gene was monomorphic within each isolate we analyzed, and quantitative PCR strongly suggest this locus is present as a single copy in G. intraradices. Maximum-likelihood analyses performed using a variety of models for codon evolution indicated that a number of amino acid sites most likely evolved under the regime of positive selection among AMF species. In addition, we found that some isolates of G. intraradices from a natural population harbor very divergent orthologous Sod1 sequences, and our analysis suggested that diversifying selection, rather than recombination, was responsible for the persistence of this molecular diversity within the AMF population.

Precursor uptake assays and metabolic analyses in isolated tomato fruit chromoplasts

Background Carotenoids are the most widespread group of pigments found in nature. In addition to their role in the physiology of the plant, carotenoids also have nutritional relevance as their incorporation in the human diet provides health benefits. In non-photosynthetic tissues, carotenoids are synthesized and stored in specialized plastids called chromoplasts. At present very little is known about the origin of the metabolic precursors and cofactors required to sustain the high rate of carotenoid biosynthesis in these plastids. Recent proteomic data have revealed a number of biochemical and metabolic processes potentially operating in fruit chromoplasts. However, considering that chloroplast to chromoplast differentiation is a very rapid process during fruit ripening, there is the possibility that some of the proteins identified in the proteomic analysis could represent remnants no longer having a functional role in chromoplasts. Therefore, experimental validation is necessary to prove whether these predicted processes are actually operative in chromoplasts. Results A method has been established for high-yield purification of tomato fruit chromoplasts suitable for metabolic studies. Radiolabeled precursors were efficiently incorporated and further metabolized in isolated chromoplast. Analysis of labeled lipophilic compounds has revealed that lipid biosynthesis is a very efficient process in chromoplasts, while the relatively low incorporation levels found in carotenoids suggest that lipid production may represent a competing pathway for carotenoid biosynthesis. Malate and pyruvate are efficiently converted into acetyl-CoA, in agreement with the active operation of the malic enzyme and the pyruvate dehydrogenase complex in the chromoplast. Our results have also shown that isolated chromoplasts can actively sustain anabolic processes without the exogenous supply of ATP, thus suggesting that these organelles may generate this energetic cofactor in an autonomous way. Conclusions We have set up a method for high yield purification of intact tomato fruit chromoplasts suitable for precursor uptake assays and metabolic analyses. Using targeted radiolabeled precursors we have been able to unravel novel biochemical and metabolic aspects related with carotenoid and lipid biosynthesis in tomato fruit chromoplasts. The reported chromoplast system could represent a valuable platform to address the validation and characterization of functional processes predicted from recent transcriptomic and proteomic data.

Molecular and Functional Characterization of Neuroblastoma-Initiating Cells

Neuroblastoma (NB) is the most common extracranial malignant tumor in young children and arises at any site of the sympathetic nervous system. The disease exhibits a remarkable phenotypic diversity ranging from spontaneous regression to fatal disease. Poor outcome results from a rapidly progressive, metastatic and drug-resistant disease. Recent studies have suggested that solid tumors may arise from a minor population of cancer stem cells (CSCs) with stem cell markers and typical properties such as self-renewal ability, asymmetric division and drug resistance. In this model, CSCs possess the exclusive ability to initiate and maintain the tumor, and to produce distant metastases. Tumor cell subpopulations with stem-like phenotypes have indeed been identified in several cancer including leukemia, breast, brain and colon cancers. CSC hypothesis still needs to be validated in the other cancers including NB.NB originates from neural crest-derived malignant sympatho-adrenal cells. We have identified rare cells that express markers in conformity with neural crest stem cells and their derived lineages within primary NB tissue and cell lines, leading us to postulate the existence of CSCs in NB tumors.In the absence of specific markers to isolate CSCs, we adapted to NB tumor cells the sphere functional assay, based on the ability of stem cells to grow as spheres in non-adherent conditions. By serial passages of spheres from bone marrow NB metastases, a subset of cells was gradually selected and its specific gene expression profile identified by micro-array time-course analysis. The differentially expressed genes in spheres are enriched in genes implicated in development including CD133, ABC-transporters, WNT and NOTCH genes, identified in others solid cancers as CSCs markers, and other new markers, all referred by us as the Neurosphere Expression Profile (NEP). We confirmed the presence of a cell subpopulation expressing a combination of the NEP markers within a few primary NB samples.The tumorigenic potential of NB spheres was assayed by in vivo tumor growth analyses using orthotopic (adrenal glands) implantations of tumor cells into immune-compromised mice. Tumors derived from the sphere cells were significantly more frequent and were detected earlier compared to whole tumor cells. However, NB cells expressing the neurosphere-associated genes and isolated from the bulk tumors did not recapitulate the CSC-like phenotype in the orthotopic model. In addition, the NB sphere cells lost their higher tumorigenic potential when implanted in a subcutaneous heterotopic in vivo model.These results highlighted the complex behavior of CSC functions and led us to consider the stem-like NB cells as a dynamic and heterogeneous cell population influenced by microenvironment signals.Our approach identified for the first time candidate genes that may be associated with NB self-renewal and tumorigenicity and therefore would establish specific functional targets for more effective therapies in aggressive NB.

Molecular Proxies for Climate Maladaptation in a Long-Lived Tree (Pinus pinaster Aiton, Pinaceae).

Understanding adaptive genetic responses to climate change is a main challenge for preserving biological diversity. Successful predictive models for climate-driven range shifts of species depend on the integration of information on adaptation, including that derived from genomic studies. Long-lived forest trees can experience substantial environmental change across generations, which results in a much more prominent adaptation lag than in annual species. Here, we show that candidate-gene SNPs (single nucleotide polymorphisms) can be used as predictors of maladaptation to climate in maritime pine (Pinus pinaster Aiton), an outcrossing long-lived keystone tree. A set of 18 SNPs potentially associated with climate, 5 of them involving amino acid-changing variants, were retained after performing logistic regression, latent factor mixed models, and Bayesian analyses of SNP-climate correlations. These relationships identified temperature as an important adaptive driver in maritime pine and highlighted that selective forces are operating differentially in geographically discrete gene pools. The frequency of the locally advantageous alleles at these selected loci was strongly correlated with survival in a common garden under extreme (hot and dry) climate conditions, which suggests that candidate-gene SNPs can be used to forecast the likely destiny of natural forest ecosystems under climate change scenarios. Differential levels of forest decline are anticipated for distinct maritime pine gene pools. Geographically defined molecular proxies for climate adaptation will thus critically enhance the predictive power of range-shift models and help establish mitigation measures for long-lived keystone forest trees in the face of impending climate change.

Pseudoxanthoma elasticum : evaluation of diagnostic criteria based on molecular data

RÉSUMÉ EN FRANCAIS : Introduction: Le pseudoxanthome élastique (PXE) est une maladie génétique. Les mutations responsables ont été localisées au niveau du gène codant le transporteur transmembranaire ABC-C6. Des calcifications pathologiques des fibres élastiques de la peau, des yeux et du système cardiovasculaire en sont la conséquence. Buts: Evaluer les critères diagnostiques actuels du PXE en se basant sur les données moléculaires. Méthodes: 142 sujets provenant de 10 familles avec une anamnèse familiale positive pour le PXE ont été investiguées sur le plan clinique, histopathologique et génétique. Résultats: 25 sujets se sont avérés être homozygotes pour le gène PXE muté. 23 d'entre eux ont présenté les manifestations cliniques et histopathologique typiques. Les deux autres souffraient d'une élastose et d'une dégénérescence maculaire si importante qu'un diagnostic de PXE ne pouvait pas être confirmé cliniquement. 67 sujets se sont révélés être des porteurs hétérozygotes et 50 ne présentaient pas de mutation. De ces 117 sujets, 116 n'ont montré aucune lésion cutanée ou ophtalmique pouvant correspondre au PXE. Un seul des sujets sans mutation a présenté une importante élastose solaire ainsi qu'une cicatrisation de la rétine, imitant les lésions typiques du PXE. Quatre des 67 sujets hétérozygotes ont eu une biopsie de peau, dont les analyses histopathologique se sont avérées normales. Conclusion: Dans notre cohorte de patients, le PXE était transmis exclusivement de façoh autosomique récessive. La corrélation retrouvée entre le génotype et le phénotype a permis de confirmer les critères diagnostiques majeurs actuels. Le diagnostic clinique peut être difficile, voir impossible, chez des patients atteints d'une élastose solaire importante et/ou d'une dégénérescence maculaire étendue. Dans ces cas, un test moléculaire est nécessaire afin de confirmer le diagnostic de PXE. A notre connaissance, notre étude présentée ici est le premier travail comparant des données cliniques à des données moléculaires dans le domaine du PXE. ABSTRACT : Background: Pseudoxanthoma elasticum (PXE) is a genetic disorder due to mutations in the gene encoding the transmembrane transporter protein adenosine triphosphate binding cassette (ABC)-C6, resulting in calcifications of elastic fibers in the skin, eyes and cardiovascular system. Objectives: To evaluate the diagnostic criteria for PXE based on molecular data. Methods: Of 10 families with a positive history of PXE 142 subjects were investigated for clinical symptoms, histological findings and genetic haplotype analysis. Results: Of these, 25 subjects were haplotypic homozygous for PXE and 23 had typical clinical and histopathological manifestations. Two of the 25 patients showed such marked solar elastosis and macular degeneration that PXE could not be confirmed clinically. Sixty-seven subject were haplotypic heterozygous carriers and 50 haplotypic homozygous unaffected. Of these 117 subjects, 116 showed no cutaneous or ophthalmologic signs of PXE. In one of the 50 haplotypic homozygous unaffected patients important solar elastosis and scaring of the retina mimicked PXE lesions. Only four of the 67 haplotypic heterozygous carriers had biopsies of nonlesional skin; all were histopathologically normal. Conclusions: In our patients, PXE presents as an autosomal recessive genodermatosis. Correlation of haplotype and phenotype confirmed actual major diagnostic criteria. In patients with marked solar elastosis and/ or severe macular degeneration clinical diagnosis can be impossible and molecular testing is needed to confirm the presence of PXE. To the best of our knowledge our large study compares for the first time clinical findings with molecular data.

"In vitro" study of the molecular mechanism of the "E.Coli" Hsp 70/Hsp40/NEF chaperone system and its interactions with ?-sinuclein

SUMMARY Under stressful conditions, mutant or post-translationally modified proteins may spontaneously misfold and form toxie species, which may further assemble into a continuum of increasingly large and insoluble toxic oligomers that may further condense into less toxic, compact amyloids in the cell Intracellular accumulation of aggregated proteins is a common denominator of several neurodegenerative diseases. To cope with the cytotoxicity induced by abnormal, aggregated proteins, cells have evolved various defence mechanisms among which, the molecular chaperones Hsp70. Hsp70 (DnaK in E. coii) is an ATPase chaperone involved in many physiological processes in the cell, such as assisting de novo protein folding, dissociating native protein oligomers and serving as pulling motors in the import of polypeptides into organelles. In addition, Hsp70 chaperones can actively solubilize and reactivate stable protein aggregates, such as heat- or mutation-induced aggregates. Hsp70 requires the cooperation of two other co-chaperones: Hsp40 and NEF (Nucleotide exchange factor) to fulfil its unfolding activity. In the first experimental section of this thesis (Chapter II), we studied by biochemical analysis the in vitro interaction between recombinant human aggregated α-synuclein (a-Syn oligomers) mimicking toxic a-Syn oligomers species in PD brains, with a model Hsp70/Hsp40 chaperone system (the E. coii DnaK/DnaJ/GrpE). We found that chaperone-mediated unfolding of two denatured model enzymes were strongly affected by α-Syn oligomers but, remarkably, not by monomers. This in vitro observed dysfunction of the Hsp70 chaperone system resulted from the sequestration of the Hsp40 proteins by the oligomeric α-synuclein species. In the second experimental part (Chapter III), we performed in vitro biochemical analysis of the co-chaperone function of three E. coii Hsp40s proteins (DnaJ, CbpA and DjlA) in the ATP-fuelled DnaK-mediated refolding of a model DnaK chaperone substrate into its native state. Hsp40s activities were compared using dose-response approaches in two types of in vitro assays: refolding of heat-denatured G6PDH and DnaK-mediated ATPase activity. We also observed that the disaggregation efficiency of Hsp70 does not directly correlate with Hsp40 binding affinity. Besides, we found that these E. coii Hsp40s confer substrate specificity to DnaK, CbpA being more effective in the DnaK-mediated disaggregation of large G6PDH aggregates than DnaJ under certain conditions. Sensibilisées par différents stress ou mutations, certaines protéines fonctionnelles de la cellule peuvent spontanément se convertir en formes inactives, mal pliées, enrichies en feuillets bêta, et exposant des surfaces hydrophobes favorisant l'agrégation. Cherchant à se stabiliser, les surfaces hydrophobes peuvent s'associer aux régions hydrophobes d'autres protéines mal pliées, formant des agrégats protéiques stables: les amyloïdes. Le dépôt intracellulaire de protéines agrégées est un dénominateur commun à de nombreuses maladies neurodégénératives. Afin de contrer la cytotoxicité induite par les protéines agrégées, les cellules ont développé plusieurs mécanismes de défense, parmi lesquels, les chaperonnes moléculaires Hsp70. Hsp70 nécessite la collaboration de deux autres co-chaperonnes : Hsp40 et NEF pour accomplir son activité de désagrégation. Hsp70 (DnaK, chez E. coli) est impliquée par ailleurs dans d'autres fonctions physiologiques telles que l'assistanat de protéines néosynthétisées à la sortie du ribosome, ou le transport transmembranaire de polypeptides. Par ailleurs, les chaperonnes Hsp70 peuvent également solubiliser et réactiver des protéines agrégées à la suite d'un stress ou d'une mutation. Dans la première partie expérimentale de cette thèse (Chapter II), nous avons étudié in vitro l'interaction entre les oligomères d'a-synucleine, responsables entre autres, de la maladie de Parkinson, et le système chaperon Hsp70/Hsp40 (système Escherichia coli DnaK/DnaJ/GrpE). Nous avons démontré que contrairement aux monomères, les oligomères d'a-synucleine inhibaient le système chaperon lors du repliement de protéines agrégées. Cette dysfonction du système chaperon résulte de la séquestration des chaperonnes Hsp40 par les oligomères d'a-synucleine. La deuxième partie expérimentale (Chapitre III) est consacrée à une étude in vitro de la fonction co-chaperonne de trois Hsp40 d'is. coli (DnaJ, CbpA, et DjlA) lors de la désagrégation par DnaK d'une protéine pré-agrégée. Leurs activités ont été comparées par le biais d'une approche dose-réponse au niveau de deux analyses enzymatiques: le repliement de la protéine agrégée et l'activité ATPase de DnaK. Par ailleurs, nous avons mis en évidence que l'efficacité de désagrégation d'Hsp70 et l'affinité des chaperonnes Hsp40 vis-à-vis de leur substrat n'étaient pas corrélées positivement. Nous avons également montré que ces trois chaperonnes Hsp40 étaient directement impliquées dans la spécificité des fonctions accomplies par les chaperonnes Hsp70. En effet, DnaK en présence de CbpA assure la désagrégation de large agrégats protéiques avec une efficacité nettement plus accrue qu'en présence de DnaJ.

Cheminformatic studies of molecular properties and their influence on bioactivity in the context of drug discovery

Molecular shape has long been known to be an important property for the process of molecular recognition. Previous studies postulated the existence of a drug-like shape space that could be used to artificially bias the composition of screening libraries, with the aim to increase the chance of success in Hit Identification. In this work, it was analysed to which extend this assumption holds true. Normalized Principal Moments of Inertia Ratios (NPRs) have been used to describe the molecular shape of small molecules. It was investigated, whether active molecules of diverse targets are located in preferred subspaces of the NPR shape space. Results illustrated a significantly stronger clustering than could be expected by chance, with parts of the space unlikely to be occupied by active compounds. Furthermore, a strong enrichment of elongated, rather flat shapes could be observed, while globular compounds were highly underrepresented. This was confirmed for a wide range of small molecule datasets from different origins. Active compounds exhibited a high overlap in their shape distributions across different targets, making a purely shape­ based discrimination very difficult. An additional perspective was provided by comparing the shapes of protein binding pockets with those of their respective ligands. Although more globular than their ligands, it was observed that binding sites shapes exhibited a similarly skewed distribution in shape space: spherical shapes were highly underrepresented. This was different for unoccupied binding pockets of smaller size. These were on the contrary identified to possess a more globular shape. The relation between shape complementarity and exhibited bioactivity was analysed; a moderate correlation between bioactivity and parameters including pocket coverage, distance in shape space, and others could be identified, which reflects the importance of shape complementarity. However, this also suggests that other aspects are of relevance for molecular recognition. A subsequent analysis assessed if and how shape and volume information retrieved from pocket or respective reference ligands could be used as a pre-filter in a virtual screening approach. ln Lead Optimization compounds need to get optimized with respect to a variety of pararneters. Here, the availability of past success stories is very valuable, as they can guide medicinal chemists during their analogue synthesis plans. However, although of tremendous interest for the public domain, so far only large corporations had the ability to mine historical knowledge in their proprietary databases. With the aim to provide such information, the SwissBioisostere database was developed and released during this thesis. This database contains information on 21,293,355 performed substructural exchanges, corresponding to 5,586,462 unique replacements that have been measured in 35,039 assays against 1,948 molecular targets representing 30 target classes, and on their impact on bioactivity . A user-friendly interface was developed that provides facile access to these data and is accessible at http//www.swissbioisostere.ch. The ChEMBL database was used as primary data source of bioactivity information. Matched molecular pairs have been identified in the extracted and cleaned data. Success-based scores were developed and integrated into the database to allow re-ranking of proposed replacements by their past outcomes. It was analysed to which degree these scores correlate with chemical similarity of the underlying fragments. An unexpectedly weak relationship was detected and further investigated. Use cases of this database were envisioned, and functionalities implemented accordingly: replacement outcomes are aggregatable at the assay level, and it was shawn that an aggregation at the target or target class level could also be performed, but should be accompanied by a careful case-by-case assessment. It was furthermore observed that replacement success depends on the activity of the starting compound A within a matched molecular pair A-B. With increasing potency the probability to lose bioactivity through any substructural exchange was significantly higher than in low affine binders. A potential existence of a publication bias could be refuted. Furthermore, often performed medicinal chemistry strategies for structure-activity-relationship exploration were analysed using the acquired data. Finally, data originating from pharmaceutical companies were compared with those reported in the literature. It could be seen that industrial medicinal chemistry can access replacement information not available in the public domain. In contrast, a large amount of often-performed replacements within companies could also be identified in literature data. Preferences for particular replacements differed between these two sources. The value of combining different endpoints in an evaluation of molecular replacements was investigated. The performed studies highlighted furthermore that there seem to exist no universal substructural replacement that always retains bioactivity irrespective of the biological environment. A generalization of bioisosteric replacements seems therefore not possible. - La forme tridimensionnelle des molécules a depuis longtemps été reconnue comme une propriété importante pour le processus de reconnaissance moléculaire. Des études antérieures ont postulé que les médicaments occupent préférentiellement un sous-ensemble de l'espace des formes des molécules. Ce sous-ensemble pourrait être utilisé pour biaiser la composition de chimiothèques à cribler, dans le but d'augmenter les chances d'identifier des Hits. L'analyse et la validation de cette assertion fait l'objet de cette première partie. Les Ratios de Moments Principaux d'Inertie Normalisés (RPN) ont été utilisés pour décrire la forme tridimensionnelle de petites molécules de type médicament. Il a été étudié si les molécules actives sur des cibles différentes se co-localisaient dans des sous-espaces privilégiés de l'espace des formes. Les résultats montrent des regroupements de molécules incompatibles avec une répartition aléatoire, avec certaines parties de l'espace peu susceptibles d'être occupées par des composés actifs. Par ailleurs, un fort enrichissement en formes allongées et plutôt plates a pu être observé, tandis que les composés globulaires étaient fortement sous-représentés. Cela a été confirmé pour un large ensemble de compilations de molécules d'origines différentes. Les distributions de forme des molécules actives sur des cibles différentes se recoupent largement, rendant une discrimination fondée uniquement sur la forme très difficile. Une perspective supplémentaire a été ajoutée par la comparaison des formes des ligands avec celles de leurs sites de liaison (poches) dans leurs protéines respectives. Bien que plus globulaires que leurs ligands, il a été observé que les formes des poches présentent une distribution dans l'espace des formes avec le même type d'asymétrie que celle observée pour les ligands: les formes sphériques sont fortement sous­ représentées. Un résultat différent a été obtenu pour les poches de plus petite taille et cristallisées sans ligand: elles possédaient une forme plus globulaire. La relation entre complémentarité de forme et bioactivité a été également analysée; une corrélation modérée entre bioactivité et des paramètres tels que remplissage de poche, distance dans l'espace des formes, ainsi que d'autres, a pu être identifiée. Ceci reflète l'importance de la complémentarité des formes, mais aussi l'implication d'autres facteurs. Une analyse ultérieure a évalué si et comment la forme et le volume d'une poche ou de ses ligands de référence pouvaient être utilisés comme un pré-filtre dans une approche de criblage virtuel. Durant l'optimisation d'un Lead, de nombreux paramètres doivent être optimisés simultanément. Dans ce contexte, la disponibilité d'exemples d'optimisations réussies est précieuse, car ils peuvent orienter les chimistes médicinaux dans leurs plans de synthèse par analogie. Cependant, bien que d'un extrême intérêt pour les chercheurs dans le domaine public, seules les grandes sociétés pharmaceutiques avaient jusqu'à présent la capacité d'exploiter de telles connaissances au sein de leurs bases de données internes. Dans le but de remédier à cette limitation, la base de données SwissBioisostere a été élaborée et publiée dans le domaine public au cours de cette thèse. Cette base de données contient des informations sur 21 293 355 échanges sous-structuraux observés, correspondant à 5 586 462 remplacements uniques mesurés dans 35 039 tests contre 1948 cibles représentant 30 familles, ainsi que sur leur impact sur la bioactivité. Une interface a été développée pour permettre un accès facile à ces données, accessible à http:/ /www.swissbioisostere.ch. La base de données ChEMBL a été utilisée comme source de données de bioactivité. Une version modifiée de l'algorithme de Hussain et Rea a été implémentée pour identifier les Matched Molecular Pairs (MMP) dans les données préparées au préalable. Des scores de succès ont été développés et intégrés dans la base de données pour permettre un reclassement des remplacements proposés selon leurs résultats précédemment observés. La corrélation entre ces scores et la similarité chimique des fragments correspondants a été étudiée. Une corrélation plus faible qu'attendue a été détectée et analysée. Différents cas d'utilisation de cette base de données ont été envisagés, et les fonctionnalités correspondantes implémentées: l'agrégation des résultats de remplacement est effectuée au niveau de chaque test, et il a été montré qu'elle pourrait également être effectuée au niveau de la cible ou de la classe de cible, sous réserve d'une analyse au cas par cas. Il a en outre été constaté que le succès d'un remplacement dépend de l'activité du composé A au sein d'une paire A-B. Il a été montré que la probabilité de perdre la bioactivité à la suite d'un remplacement moléculaire quelconque est plus importante au sein des molécules les plus actives que chez les molécules de plus faible activité. L'existence potentielle d'un biais lié au processus de publication par articles a pu être réfutée. En outre, les stratégies fréquentes de chimie médicinale pour l'exploration des relations structure-activité ont été analysées à l'aide des données acquises. Enfin, les données provenant des compagnies pharmaceutiques ont été comparées à celles reportées dans la littérature. Il a pu être constaté que les chimistes médicinaux dans l'industrie peuvent accéder à des remplacements qui ne sont pas disponibles dans le domaine public. Par contre, un grand nombre de remplacements fréquemment observés dans les données de l'industrie ont également pu être identifiés dans les données de la littérature. Les préférences pour certains remplacements particuliers diffèrent entre ces deux sources. L'intérêt d'évaluer les remplacements moléculaires simultanément selon plusieurs paramètres (bioactivité et stabilité métabolique par ex.) a aussi été étudié. Les études réalisées ont souligné qu'il semble n'exister aucun remplacement sous-structural universel qui conserve toujours la bioactivité quel que soit le contexte biologique. Une généralisation des remplacements bioisostériques ne semble donc pas possible.

Genome-wide association and longitudinal analyses reveal genetic loci linking pubertal height growth, pubertal timing and childhood adiposity.

The pubertal height growth spurt is a distinctive feature of childhood growth reflecting both the central onset of puberty and local growth factors. Although little is known about the underlying genetics, growth variability during puberty correlates with adult risks for hormone-dependent cancer and adverse cardiometabolic health. The only gene so far associated with pubertal height growth, LIN28B, pleiotropically influences childhood growth, puberty and cancer progression, pointing to shared underlying mechanisms. To discover genetic loci influencing pubertal height and growth and to place them in context of overall growth and maturation, we performed genome-wide association meta-analyses in 18 737 European samples utilizing longitudinally collected height measurements. We found significant associations (P < 1.67 × 10(-8)) at 10 loci, including LIN28B. Five loci associated with pubertal timing, all impacting multiple aspects of growth. In particular, a novel variant correlated with expression of MAPK3, and associated both with increased prepubertal growth and earlier menarche. Another variant near ADCY3-POMC associated with increased body mass index, reduced pubertal growth and earlier puberty. Whereas epidemiological correlations suggest that early puberty marks a pathway from rapid prepubertal growth to reduced final height and adult obesity, our study shows that individual loci associating with pubertal growth have variable longitudinal growth patterns that may differ from epidemiological observations. Overall, this study uncovers part of the complex genetic architecture linking pubertal height growth, the timing of puberty and childhood obesity and provides new information to pinpoint processes linking these traits.

Molecular weight of hydroxyethyl starch : is there an effect on blood coagulation and pharmacokinetics ?

Résumé Fondement : le développement de solutions d'hydroxy-éthyl-amidons (HEAS) avec peu d'impact sur la coagulation sanguine, mais un effet supérieur sur la volémie, par comparaison aux HEAS couramment utilisés, est d'un grand intérêt clinique. Nous posons l'hypothèse que des solutions de haut poids moléculaire et de bas degré de substitution possèdent ces caractéristiques. Méthode : trente porcs ont été perfusés avec trois HEAS différents (20 ml/kg) de même degré de substitution (0.42) mais de poids moléculaire différent (130, 500 et 900 kDa). Une série de prélèvements sanguins ont été effectués sur 24 heures, sur lesquels des analyses de coagulation sanguine étaient effectuées par thromboélastographie et dosages plasmatiques. De plus, la concentration plasmatique ainsi que le poids moléculaire in vivo ont été déterminés, ainsi que des paramètres de pharmacocinétiques, ceci en se basant sur un modèle bi-compartimental. Résultats : les analyses de thromboélastographie et les tests de coagulation plasmatique n'ont pas démontré d'altération plus marquée de la coagulation sanguine après l'utilisation des solutions des HAES 500 et HAES 900, par comparaison avec celle de HAES 130. Par contre, les HAES 500 et HAES 900 ont présenté une plus grande aire sous la courbe (area under the curve), dans la relation concentration en fonction du temps [1542 (142) g min litre-1, p<0.001, 1701 (321) g min litre-1, p<0.001] par rapport au HAES 130 [1156 (223) g min litre-1]. La demi-vie alpha (t ½α) était plus longue pour les HAES 500 [53.8 (8.6) min, p<0.01] et HAES 900 [57.1 (12.3) min, p<0.01 ]que pour le HAES 130 [39.9 (10.7) min]. La demi-vie beta (t½β) était par contre similaire pour les trois types de HAES [de 332 (100) à 381 (63) min]. Conclusions : pour les HAES de bas degré de substitution, le poids moléculaire n'est pas un facteur clé en ce qui concerne l'altération de la coagulation. La persistance intravasculaire initialement plus longue des HAES de haut poids moléculaire et bas degré de substitution pourrait résulter dans un plus long effet volémique de ces substances. Abstract Background: The development of hydroxyethyl starches (HES) with low impact on blood coagulation but higher volume effect compared with the currently used HES solutions is of clinical interest. We hypothesized that high molecular weight, low-substituted HES might possess these properties. Methods: Thirty pigs were infused with three different HES solutions (20 ml kg-1) with the same degree of molar substitution (0.42) but different molecular weights (130, 500 and 900 kDa). Serial blood samples were taken over 24 h and blood coagulation was assessed by Thromboelastograph® analysis and analysis of plasma coagulation. In addition, plasma concentration and in vivo molecular weight were determined and pharmacokinetic data were computed based on a two-compartment model. Results: Thromboelastograph analysis and plasma coagulation tests did not reveal a more pronounced alteration of blood coagulation with HES 500 and HES 900 compared with HES 130. In contrast, HES 500 and HES 900 had a greater area under the plasma concentration-time curve [1542 (142) g min litre-1, P<0.001, 1701 (321) g min litre-1, P<0.001] than HES 130 [I 156 (223) g min litre-1] and alpha half life (t ½α) was longer for HES 500 [53.8 (8.6) min, P<0.01 ] and HES 900 [57. I (I 2.3) min, P<0.01 ] than for HES 130 [39.9 (I 0.7) min]. Beta half life (t½β), however, was similar for all three types of HES [from 332 (100) to 381 (63) min]. Conclusions. In low-substituted HES, molecular weight is not a key factor in compromising blood coagulation. The longer initial intravascular persistence of high molecular weight lowsubstituted HES might result in a longer lasting volume effect.