Étude du système dopaminergique pré- et postsynaptique : régulation de l'autorécepteur D2 par la neurotensine et formation des synapses excitatrices dans le striatum

La dopamine (DA) est un neurotransmetteur impliqué dans la modulation de fonctions essentielles du cerveau telles que le contrôle des mouvements volontaires, le système de récompense et certains aspects de la cognition. Depuis sa découverte, la DA a attiré énormément d'attention scientifique en partie à cause des pathologies majeures associées aux dysfonctions du système DAergique, comme la maladie de Parkinson, la schizophrénie et la toxicomanie. On retrouve la majorité des neurones qui synthétisent la DA au niveau du mésencéphale ventral, dans les noyaux de la substance noire compacte (SNc) et de l'aire tegmentaire ventrale (ATV). Ces neurones projettent leurs axones dans un très dense réseau de fibres qui s'organisent en trois voies DAergiques classiques: la voie nigrostriée, la voie mésolimbique et la voie mésocorticale. La transmission DAergique s'effectue par l'activation de récepteurs de la DA qui font partie de la grande famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs). Les récepteurs de la DA sont abondamment exprimés aussi bien par les neurones DAergiques que par les neurones des régions cibles, ce qui implique que la compréhension de la signalisation et des fonctions particulières des récepteurs de la DA pré- et postsynaptiques représente un enjeu crucial dans l'étude du système DAergique. Cette thèse de doctorat se sépare donc en deux volets distincts: le premier s'intéresse à la régulation du récepteur D2 présynaptique par la neurotensine (NT), un neuropeptide intimement lié à la modulation du système DAergique; le deuxième s'intéresse au côté postsynaptique du système DAergique, plus particulièrement à la ségrégation de l'expression des récepteurs de la DA dans le striatum et aux fonctions de ces récepteurs dans l'établissement des circuits neuronaux excitateurs prenant place dans cette région. Dans la première partie de cette thèse, nous démontrons que l'activation du récepteur à haute affinité de la NT, le NTR1, provoque une internalisation hétérologue du récepteur D2, avec une amplitude et une cinétique différente selon l'isoforme D2 observé. Cette internalisation hétérologue dépend de la protéine kinase C (PKC), et nous montrons que la surexpression d'un récepteur D2 muté sur des sites de phosphorylation par la PKC ii ainsi que l'inhibition de l'expression de β-arrestine1 par ARNs interférents dans des neurones DAergiques bloquent complètement l'interaction fonctionnelle entre le NTR1 et le D2. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous démontrons d'abord que la ségrégation de l'expression des récepteurs D1 et D2 dans le striatum est déjà bien établie dès le 18e jour embryonnaire, bien qu'elle progresse encore significativement aux jours 0 et 14 postnataux. Nos résultats témoignent aussi d'un maintien complet de cette ségrégation lorsque les neurones striataux sont mis en culture aussi bien en présence ou en absence de neurones corticaux et/ou mésencéphaliques. Ensuite, nous montrons que la présence de neurones mésencéphaliques stimule la formation d’épines et de synapses excitatrices sur les neurones striataux épineux exprimant le récepteur D2 (MSN-D2). Le co-phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques semble nécessaire à une grande partie de cet effet. Par ailleurs, le nombre total de terminaisons excitatrices formées sur les MSN-D2 par les neurones corticaux et mésencéphaliques apparaît être régit par un équilibre dynamique. Finalement, nous démontrons que le blocage de la signalisation des récepteurs D1 et D2 de la DA n'est pas nécessaire pour la formation des synapses excitatrices des MSN-D2, alors que l'antagonisme des récepteurs glutamatergiques ionotropes diminue la densité d'épines dendritiques et contrôle de façon opposée le nombre de terminaisons excitatrices corticales et mésencéphaliques. Globalement, ce travail représente une contribution significative pour une meilleure compréhension du fonctionnement normal du système DAergique. Ces découvertes sont susceptibles d’être utiles pour mieux comprendre les dysfonctions de ce système dans le cadre de pathologies du cerveau comme la maladie de Parkinson.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Caractérisation biochimique et fonctionnelle du mutant T179N de l’aquaporine-2 humaine

L’aquaporine-2 (AQP2) est le canal responsable de la réabsorption finale d’eau au niveau du tubule collecteur du rein. À la base, contenue dans des vésicules internes, l’AQP2 est acheminée à la membrane apicale des cellules principales du tubule collecteur suite à une stimulation par l’hormone antidiurétique (ADH). L’incapacité à accomplir cette fonction entraîne le diabète insipide néphrogénique (DIN), une maladie caractérisée par l’inhabileté du rein à concentrer l’urine, entraînant une production de volumes urinaires élevés. Alors que les mutations récessives génèrent des protéines mal structurées et incapables de former des tétramères, les mutations dominantes sont capables de s’associer à leurs homologues sauvages, engendrant ainsi un DIN même chez les patients hétérozygotes. Ce mémoire présente l’analyse biochimique et fonctionnelle d’une nouvelle mutation naturelle de l’AQP2, la mutation T179N, aussi responsable du DIN. Cette dernière est particulièrement intéressante de par son génotype qui implique un caractère dominant, et sa position extracellulaire habituellement réservée aux mutations récessives. Les études comparatives de T179N à deux modèles de mutation récessive et dominante démontrent, tant en ovocytes de Xenopus laevis qu’en lignée cellulaire mpkCCDc14, le caractère récessif de cette nouvelle mutation. Les tests d’immunobuvardage de lysats d’ovocytes en membranes totales et membranes plasmiques purifiées ont révélé que seule la forme sauvage atteint la membrane plasmique alors que le mutant T179N est séquestré dans la cellule. En accord avec ce résultat, les analyses de perméabilité fonctionnelle démontrent aussi une absence d’activité pour T179N. En cellule mpkCCDc14, le mutant T179N exprimé seul n’atteint pas la membrane plasmique suite à l’action de la forskoline, contrairement à la forme sauvage. Cependant, ce mutant peut s’associer à son homologue sauvage en coexpression tant dans les ovocytes qu’en lignée mpkCCDc14 sans toutefois engendrer l’effet typique de dominance négative. En fait, dans ce contexte de coexpression, on remarque une augmentation de la Pf de 83±7 % et une récupération d’adressage à la membrane plasmique en cellule (immunofluorescence). En conclusion, T179N serait un mutant récessif fonctionnellement récupérable lorsqu’en présence de l’AQP2 sauvage.

Physiological analysis of central and peripheral insect circadian pacemaker neurons

Alle bisher untersuchten Lebewesen besitzen (circadiane) innere Uhren, die eine endogene Perioden-länge von ungefähr 24 Stunden generieren. Eine innere Uhr kann über Zeitgeber mit der Umwelt synchronisiert werden und ermöglicht dem Organismus, rhythmische Umweltveränderungen vorweg zu nehmen. Neben einem zentralen Schrittmacher, der Physiologie und Verhalten des Organismus steuert, gibt es in unterschiedlichen Organen auch periphere Uhren, die die zeitlichen Abläufe in der spezifischen Funktion dieser Organe steuern. In dieser Arbeit sollten zentrale und periphere Schrittmacherneurone von Insekten physiologisch untersucht und verglichen werden. Die Neurone der akzessorischen Medulla (AME) von Rhyparobia maderae dienten als Modellsystem für zentrale Schrittmacher, während olfaktorische Rezeptorneurone (ORNs) von Manduca sexta als Modellsystem für periphere Schrittmacher dienten. Die zentralen Schrittmacherneurone wurden in extrazellulären Ableitungen an der isolierten AME (Netzwerkebene) und in Patch-Clamp Experimenten an primären AME Zellkulturen (Einzelzellebene) untersucht. Auf Netzwerkebene zeigten sich zwei charakteristische Aktivitätsmuster: regelmäßige Aktivität und Wechsel zwischen hoher und niedriger Aktivität (Oszillationen). Es wurde gezeigt, dass Glutamat ein Neurotransmitter der weitverbreiteten inhibitorischen Synapsen der AME ist, und dass in geringem Maße auch exzitatorische Synapsen vorkommen. Das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), das von nur wenigen AME Neuronen exprimiert wird und ein wichtiger Kopplungsfaktor im circadianen System ist, führte zu Hemmungen, Aktivierungen oder Oszillationen. Die Effekte waren transient oder langanhaltend und wurden wahrscheinlich durch den sekundären Botenstoff cAMP vermittelt. Ein Zielmolekül von cAMP war vermutlich exchange protein directly activated by cAMP (EPAC). Auf Einzelzellebene wurde gezeigt, dass die meisten AME Neurone depolarisiert waren und deshalb nicht feuerten. Die Analyse von Strom-Spannungs-Kennlinien und pharmakologische Experimente ergaben, dass unterschiedliche Ionenkanäle vorhanden waren (Ca2+, Cl-, K+, Na+ Kanäle sowie nicht-spezifische Kationenkanäle). Starke, bei hohen Spannungen aktivierende Ca2+ Ströme (ICa) könnten eine wichtige Rolle bei Ca2+-abhängiger Neurotransmitter-Ausschüttung, Oszillationen, und Aktionspotentialen spielen. PDF hemmte unterschiedliche Ströme (ICa, IK und INa) und aktivierte nicht-spezifische Kationenströme (Ih). Es wurde angenommen, dass simultane PDF-abhängige Hyper- und Depolarisationen rhythmische Membranpotential-Oszillationen verursachen. Dieser Mechanismus könnte eine Rolle bei PDF-abhängigen Synchronisationen spielen. Die Analyse peripherer Schrittmacherneurone konzentrierte sich auf die Charakterisierung des olfaktorischen Corezeptors von M. sexta (MsexORCO). In anderen Insekten ist ORCO für die Membran-Insertion von olfaktorischen Rezeptoren (ORs) erforderlich. ORCO bildet Komplexe mit den ORs, die in heterologen Expressionssystemen als Ionenkanäle fungieren und Duft-Antworten vermitteln. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass MsexORCO in pheromonsensitiven ORNs in vivo nicht als Teil eines ionotropen Rezeptors sondern als Schrittmacherkanal fungiert, der unterschwellige Membranpotential-Oszillationen generiert. MsexORCO wurde mit vermeintlichen Pheromonrezeptoren in human embryonic kidney (HEK 293) Zellen coexprimiert. Immuncytochemie und Ca2+ Imaging Experimente zeigten sehr schwache Expressionsraten. Trotzdem war es möglich zu zeigen, dass MsexORCO wahrscheinlich ein spontan-aktiver, Ca2+-permeabler Ionenkanal ist, der durch den ORCO-Agonisten VUAA1 und cyclische Nucleotide aktiviert wird. Außerdem wiesen die Experimente darauf hin, dass MsexOR-1 offensichtlich der Bombykal-Rezeptor ist. Eine weitere Charakterisierung von MsexORCO in primären M. sexta ORN Zellkulturen konnte nicht vollendet werden, weil die ORNs nicht signifikant auf ORCO-Agonisten oder -Antagonisten reagierten.

Formulation of a live bacterial vaccine for stable room temperature storage results in loss of acid, bile and bile salt resistance

Live bacterial vaccines have great promise both as vaccines against enteric pathogens and as heterologous antigen vectors against diverse diseases. Ideally, room temperature stable dry formulations of live bacterial vaccines will allow oral vaccination without cold-chain storage or injections. Attenuated Salmonella can cross the intestinal wall and deliver replicating antigen plus innate immune activation signals directly to the intestinal immune tissues, however the ingested bacteria must survive firstly gastric acid and secondly the antimicrobial defences of the small intestine. We found that the way in which cells are grown prior to formulation markedly affects sensitivity to acid and bile. Using a previously published stable storage formulation that maintained over 10% viability after 56 days storage at room temperature, we found dried samples of an attenuated S. typhimurium vaccine lost acid and bile resistance compared to the same bacteria taken from fresh culture. The stable formulation utilised osmotic preconditioning in defined medium plus elevated salt concentration to induce intracellular trehalose accumulation before drying. Dried bacteria grown in rich media without osmotic preconditioning showed more resistance to bile, but less stability during storage, suggesting a trade-off between bile resistance and stability. Further optimization is needed to produce the ultimate room-temperature stable oral live bacterial vaccine formulation.

Iron-regulated surface determinant protein a mediates adhesion of staphylococcus aureus to human corneocyte envelope proteins

The ability of Staphylococcus aureus to colonize the human nares is a crucial prerequisite for disease. IsdA is a major S. aureus surface protein that is expressed during human infection and required for nasal colonization and survival on human skin. In this work, we show that IsdA binds to involucrin, loricrin, and cytokeratin K10, proteins that are present in the cornified envelope of human desquamated epithelial cells. To measure the forces and dynamics of the interaction between IsdA and loricrin (the most abundant protein of the cornified envelope), single-molecule force spectroscopy was used, demonstrating high-specificity binding. IsdA acts as a cellular adhesin to the human ligands, promoting whole-cell binding to immobilized proteins, even in the absence of other S. aureus components (as shown by heterologous expression in Lactococcus lactis). Inhibition experiments revealed the binding of the human ligands to the same IsdA region. This region was mapped to the NEAT domain of IsdA. The NEAT domain also was found to be required for S. aureus whole-cell binding to the ligands as well as to human nasal cells. Thus, IsdA is an important adhesin to human ligands, which predominate in its primary ecological niche.

Legumes regulate Rhizobium bacteroid development and persistence by the supply of branched-chain amino acids

One of the largest contributions to biologically available nitrogen comes from the reduction of N-2 to ammonia by rhizobia in symbiosis with legumes. Plants supply dicarboxylic acids as a carbon source to bacteroids, and in return they receive ammonia. However, metabolic exchange must be more complex, because effective N-2 fixation by Rhizobium leguminosarum bv viciae bacteroids requires either one of two broad-specificity amino acid ABC transporters (Aap and Bra). It was proposed that amino acids cycle between plant and bacteroids, but the model was unconstrained because of the broad solute specificity of Aap and Bra. Here, we constrain the specificity of Bra and ectopically express heterologous transporters to demonstrate that branched-chain amino acid (LIV) transport is essential for effective N-2 fixation. This dependence of bacteroids on the plant for LIV is not due to their known down-regulation of glutamate synthesis, because ectopic expression of glutamate dehydrogenase did not rescue effective N-2 fixation. Instead, the effect is specific to LIV and is accompanied by a major reduction in transcription and activity of LIV biosynthetic enzymes. Bacteroids become symbiotic auxotrophs for LIV and depend on the plant for their supply. Bacteroids with aap bra null mutations are reduced in number, smaller, and have a lower DNA content than wild type. Plants control LIV supply to bacteroids, regulating their development and persistence. This makes it a critical control point for regulation of symbiosis. MICROBIOLOGY

Evidence of a possible role for Lys-gamma 3-MSH in the regulation of adipocyte function

Lys-gamma 3-MSH is a melanocortin peptide derived from the C-terminal of the 16 kDa fragment of POMC. The physiological role of Lys-gamma 3-MSH is unclear, although it has previously been shown that, although not directly steroidogenic, it can act to potentiate the steroidogenic response of adrenal cortical cells to ACTH. This synergistic effect appears to be correlated with an ability to increase the activity of hormone sensitive lipase (HSL) and therefore the rate of cholesterol ester hydrolysis. Ligand binding studies have suggested that high-affinity binding sites for Lys-gamma 3-MSH exist in the adrenal gland and a number of other rat tissues that express HSL, including adipose, skeletal muscle and testes. To investigate the hypothesis that Lys-gamma 3-MSH may play a wider role in cholesterol and lipid metabolism, we tested the effect of Lys-gamma 3-MSH on lipolysis, an HSL-mediated process, in 3T3-L1 adipocytes. In comparison with other melanocortin peptides, Lys-gamma 3-MSH was found to be a potent stimulator of lipolysis. It was also able to phosphorylate HSL at key serine residues and stimulate the hyper-phosphorylation of perilipin A. The receptor through which the lipolytic actions of Lys-gamma 3-MSH are being mediated is not clear. Attempts to characterise this receptor suggest that either the pharmacology of the melanocortin receptor 5 in 3T3-L1 adipocytes is different from that described when expressed in heterologous systems or the possibility that a further, as yet uncharacterised, receptor exists.

Broadly neutralizing antibodies protect against hepatitis C virus quasispecies challenge

A major problem in hepatitis C virus (HCV) immunotherapy or vaccine design is the extreme variability of the virus. We identified human monoclonal antibodies (mAbs) that neutralize genetically diverse HCV isolates and protect against heterologous HCV quasispecies challenge in a human liver-chimeric mouse model. The results provide evidence that broadly neutralizing antibodies to HCV protect against heterologous viral infection and suggest that a prophylactic vaccine against HCV may be achievable.

A block in virus-like particle maturation following assembly of murine leukaemia virus in insect cells

Expression of the murine leukaemia virus (MLV) major Gag antigen p65(Gag) using the baculovirus expression system leads to efficient assembly and release of virus-like particles (VLP) representative of immature MLV. Expression of P180(Gag-Pol), facilitated normally in mammalian cells by readthrough of the p65(Gag) termination codon, also occurs efficiently in insect cells to provide a source of the MLV protease and a pattern of p65(Gag) processing similar to that observed in mammalian cells. VLP release from P180(Gag-Pol) expressing cells however remains essentially immature with disproportionate levels of the uncleaved p65(Gag) precursor when compared to the intracellular Gag profile. Changing the p65(Gag) termination codon altered the level of p65(Gag) and p180(Gag-Pol) within expressing cells but did not alter the pattern of released VLP, which remained immature. Coexpression of p65(Gag) with a fixed readthrough p180(Gag-Pol) also led to only immature VLP release despite high intracellular protease levels. Our data suggest a mechanism that preferentially selects uncleaved p65(Gag) for the assembly of MLV in this heterologous expression system and implies that, in addition to their relative levels, active sorting of the correct p65(Gag) and p180(Gag-Pol) ratios may occur in producer cells. (C) 2003 Elsevier Inc. All rights reserved.

Control of human immunodeficiency virus type-1 protease activity in insect cells expressing Gag-Pol rescues assembly of immature but not mature virus-like particles

Expression of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) Gag protein in insect cells using baculovirus vectors leads to the abundant production of virus-like particles (VLPs) that represent the immature form of the virus. When Gag-Pol is included, however, VLP production is abolished, a result attributed to premature protease activation degrading the intracellular pool of Gag precursor before particle assembly can occur. As large-scale synthesis of mature noninfectious VLPs would be useful, we have sought to control HIV protease activity in insect cells to give a balance of Gag and Gag-Pol that is compatible with mature particle formation. We show here that intermediate levels of protease activity in insect cells can be attained through site-directed mutagenesis of the protease and through antiprotease drug treatment. However, despite Gag cleavage patterns that mimicked those seen in mammalian cells, VLP synthesis exhibited an essentially all-or-none response in which VLP synthesis occurred but was immature or failed completely. Our data are consistent with a requirement for specific cellular factors in addition to the correct ratio of Gag and Gag-Pol for assembly of mature retrovirus particles in heterologous cell types. (C) 2003 Elsevier Science (USA). All rights reserved.

Glycosyl transferases in family 61 mediate arabinofuranosyl transfer onto xylan in grasses

Xylan, a hemicellulosic component of the plant cell wall, is one of the most abundant polysaccharides in nature. In contrast to dicots, xylan in grasses is extensively modified by alpha-(1,2)- and alpha-(1,3)-linked arabinofuranose. Despite the importance of grass arabinoxylan in human and animal nutrition and for bioenergy, the enzymes adding the arabinosyl substitutions are unknown. Here we demonstrate that knocking-down glycosyltransferase (GT) 61 expression in wheat endosperm strongly decreases alpha-(1,3)-linked arabinosyl substitution of xylan. Moreover, heterologous expression of wheat and rice GT61s in Arabidopsis leads to arabinosylation of the xylan, and therefore provides gain-of-function evidence for alpha-(1,3)-arabinosyltransferase activity. Thus, GT61 proteins play a key role in arabinoxylan biosynthesis and therefore in the evolutionary divergence of grass cell walls.

Optimising the analysis of transcript data using high density oligonucleotide arrays and genomic DNA-based probe selection

Background: Affymetrix GeneChip arrays are widely used for transcriptomic studies in a diverse range of species. Each gene is represented on a GeneChip array by a probe- set, consisting of up to 16 probe-pairs. Signal intensities across probe- pairs within a probe-set vary in part due to different physical hybridisation characteristics of individual probes with their target labelled transcripts. We have previously developed a technique to study the transcriptomes of heterologous species based on hybridising genomic DNA (gDNA) to a GeneChip array designed for a different species, and subsequently using only those probes with good homology. Results: Here we have investigated the effects of hybridising homologous species gDNA to study the transcriptomes of species for which the arrays have been designed. Genomic DNA from Arabidopsis thaliana and rice (Oryza sativa) were hybridised to the Affymetrix Arabidopsis ATH1 and Rice Genome GeneChip arrays respectively. Probe selection based on gDNA hybridisation intensity increased the number of genes identified as significantly differentially expressed in two published studies of Arabidopsis development, and optimised the analysis of technical replicates obtained from pooled samples of RNA from rice. Conclusion: This mixed physical and bioinformatics approach can be used to optimise estimates of gene expression when using GeneChip arrays.

Optimisation of recombinant production of active human cardiac SERCA2a ATPase

Methods for recombinant production of eukaryotic membrane proteins, yielding sufficient quantity and quality of protein for structural biology, remain a challenge. We describe here, expression and purification optimisation of the human SERCA2a cardiac isoform of Ca2+ translocating ATPase, using Saccharomyces cerevisiae as the heterologous expression system of choice. Two different expression vectors were utilised, allowing expression of C-terminal fusion proteins with a biotinylation domain or a GFP- His8 tag. Solubilised membrane fractions containing the protein of interest were purified onto Streptavidin-Sepharose, Ni-NTA or Talon resin, depending on the fusion tag present. Biotinylated protein was detected using specific antibody directed against SERCA2 and, advantageously, GFP-His8 fusion protein was easily traced during the purification steps using in-gel fluorescence. Importantly, talon resin affinity purification proved more specific than Ni-NTA resin for the GFP-His8 tagged protein, providing better separation of oligomers present, during size exclusion chromatography. The optimised method for expression and purification of human cardiac SERCA2a reported herein, yields purified protein (> 90%) that displays a calcium-dependent thapsigargin-sensitive activity and is suitable for further biophysical, structural and physiological studies. This work provides support for the use of Saccharomyces cerevisiae as a suitable expression system for recombinant production of multi-domain eukaryotic membrane proteins.

Claviceps purpurea expressing polygalacturonases escaping PGIP inhibition fully infects PvPGIP2 wheat transgenic plants but its infection is delayed in wheat transgenic plants with increased level of pectin methyl esterification

Claviceps purpurea is a biotrophic fungal pathogen of grasses causing the ergot disease. The infection process of C. purpurea on rye flowers is accompanied by pectin degradation and polygalacturonase (PG) activity represents a pathogenicity factor. Wheat is also infected by C. purpurea and we tested whether the presence of polygalacturonase inhibiting protein (PGIP) can affect pathogen infection and ergot disease development. Wheat transgenic plants expressing the bean PvPGIP2 did not show a clear reduction of disease symptoms when infected with C. purpurea. To ascertain the possible cause underlying this lack of improved resistance of PvPGIP2 plants, we expressed both polygalacturonases present in the C. purpurea genome, cppg1 and cppg2 in Pichia pastoris. In vitro assays using the heterologous expressed PGs and PvPGIP2 showed that neither PG is inhibited by this inhibitor. To further investigate the role of PG in the C. purpurea/wheat system, we demonstrated that the activity of both PGs of C. purpurea is reduced on highly methyl esterified pectin. Finally, we showed that this reduction in PG activity is relevant in planta, by inoculating with C. purpurea transgenic wheat plants overexpressing a pectin methyl esterase inhibitor (PMEI) and showing a high degree of pectin methyl esterification. We observed reduced disease symptoms in the transgenic line compared with null controls. Together, these results highlight the importance of pectin degradation for ergot disease development in wheat and sustain the notion that inhibition of pectin degradation may represent a possible route to control of ergot in cereals.