Développement du squelette du crinoïde Florometra serratissima et évolution des protéines de la matrice de spicules chez les ambulacraires

Les crinoïdes sont bien connus pour leurs fossiles, mais la biominéralisation de leurs stades larvaires n’est que peu documentée. La première partie du projet présente le développement des ossicules des trois stades larvaires du comatule Florometra serratissima : doliolaria, cystidienne et pentacrinoïde. Les ossicules du crinoïde démontraient de la plasticité phénotypique et de la désynchronisation dans leur développement. Les crinoïdes étant la classe basale des échinodermes modernes, ceci porte à croire que ces traits étaient aussi caractéristiques des échinodermes ancestraux et auraient joué un rôle dans la radiation hâtive et la grande disparité des échinodermes. Pour notre deuxième étude, comme les patrons de morphologie des crinoïdes et des autres échinodermes sont nombreux et sont régulés par des protéines spécifiques, nous avons vérifié la présence de quatre familles de protéines de la matrice de spicules (SMAP) connues chez les oursins dans les transcriptomes des autres échinodermes et d’autres deutérostomes. La famille des spicules matrix (SM) et l’anhydrase carbonique CARA7LA étaient absentes chez tout autre organisme que les oursins, les protéines spécifiques au mésenchyme (MSP130) étaient présentes en nombres différents chez tous les ambulacraires suggérant de multiples duplications et pertes, et les métalloprotéases étaient nombreuses chez chacun. Le développement des ossicules chez les échinodermes est un sujet qui a gagné en popularité au cours des dernières décennies, spécialement chez les oursins, et inclure les crinoïdes dans ce type d’étude permettra de nous renseigner sur l’origine et l’évolution des échinodermes modernes.

The orphan nuclear receptor, liver receptor homolog-1 (LRH-1, NR5A2) regulates decidualization

La période de réceptivité endométriale chez l’humain coïncide avec la différentiation des cellules stromales de l’endomètre en cellules hautement spécifiques, les cellules déciduales, durant le processus dit de décidualisation. Or, on sait qu’une transformation anormale des cellules endométriales peut être à l’origine de pertes récurrentes de grossesses. LRH-1 est un récepteur nucléaire orphelin et un facteur de transcription régulant de nombreux évènements relatif à la reproduction et comme tout récepteur, son activation promouvoit l’activité transcriptionnelle de ses gènes cibles. Nous avons déjà montré que LRH-1 et son activité sont essentiels pour la décidualisation au niveau de l’utérus chez la souris et nous savons qu’il est présent dans l’utérus chez l’humain au moment de la phase de prolifération mais aussi de sécrétion du cycle menstruel, et que son expression augmente dans des conditions de décidualisation in vitro. Notre hypothèse est alors la suivante : LRH-1 est indispensable à la décidualisation du stroma endométrial, agissant par le biais de la régulation transcriptionnelle de gènes requis pour la transformation de cellules stromales en cellules déciduales. Afin d’explorer le mécanisme moléculaire impliqué dans la régulation transcriptionnelle effectuée par l’intermédiaire de ce récepteur, nous avons mis en place un modèle de décidualisation in vitro utilisant une lignée de cellules stromales de l’endomètre, cellules humaines et immortelles (hESC). Notre modèle de surexpression développé en transfectant les dites cellules avec un plasmide exprimant LRH-1, résulte en l’augmentation, d’un facteur 5, de l’abondance du transcriptome de gènes marqueurs de la décidualisation que sont la prolactine (PRL) et l’insulin-like growth factor binding protein-1 (IGFBP-1). En outre, la sous-régulation de ce récepteur par l’intermédiaire de petits ARN interférents (shRNA) abolit la réaction déciduale, d’un point de vue morphologique mais aussi en terme d’expression des deux gènes marqueurs cités ci-dessus. Une analyse par Chromatin ImmunoPrécipitation (ou ChIP) a démontré que LRH-1 se lie à des régions génomiques se trouvant en aval de certains gènes importants pour la décidualisation comme PRL, WNT 4, WNT 5, CDKN1A ou encore IL-24, et dans chacun de ces cas cités, cette capacité de liaison augmente dans le cadre de la décidualisation in vitro. Par ailleurs, des études structurelles ont identifié les phospholipides comme des ligands potentiels pour LRH-1. Nous avons donc choisi d’orienter notre travail de façon à explorer les effets sur les ligands liés à LRH-1 de traitements impliquant des agonistes et antagonistes à notre récepteur nucléaire. Les analyses par q-PCR et Western blot ont montré que la modulation de l’activité de LRH-1 par ses ligands influait aussi sur la réaction déciduale. Enfin, des études récentes de Salker et al (Salker, Teklenburg et al. 2010) ont mis en évidence que les cellules stromales humaines décidualisées sont de véritables biocapteurs de la qualité embryonnaire et qu’elles ont la capacité de migrer en direction de l’embryon. La série d’expériences que nous avons réalisée à l’aide de cellules hESC placées en co-culture avec des embryons de souris confirme que la migration cellulaire est bien dirigée vers les embryons. Cette propriété quant à l’orientation de la migration cellulaire est notoirement diminuée dans le cas où l’expression de LRH-1 est déplétée par shRNA dans les hESC. Nos données prouvent donc que LRH-1 régule non seulement la transcription d’un ensemble de gènes impliqués dans le processus de décidualisation mais agit aussi sur la motilité directionnelle de ces cellules hESC décidualisées in vitro.

Étude sur le biofilm et les mécanismes de résistance à la bacitracine chez Clostridium perfringens

Clostridium perfringens est ubiquitaire dans l’environnement. Ce microorganisme peut être retrouvé dans la flore normale du tractus gastro-intestinal des mammifères et peut également causer une variété d’infections intestinales. Le phénotype de résistance à la bacitracine a déjà été rapporté chez C. perfringens mais les gènes associés n’ont pas été caractérisés. Dans cette étude, 24 des 99 isolats de C. perfringens aviaires testés ont démontré une résistance à la bacitracine. Les analyses ont révélé la présence d’un transporteur ABC ainsi que d’une undécaprénol kinase surproduite. Ces deux mécanismes semblent être codés par l’opéron bcrABDR. En amont et en aval des gènes bcr, un élément IS1216-like a été identifié, celui-ci pouvant jouer un rôle dans la dissémination de la résistance à la bacitracine. Des analyses d’hybridation sur ADN ont révélé que les gènes bcrABDR étaient localisés sur le chromosome. De plus, il a été démontré que les gènes bcr étaient exprimés en présence de bacitracine. Plusieurs études ont associé la tolérance aux antibiotiques et aux désinfectants à la formation de biofilm. Dans la littérature, peu d’informations sont disponibles sur le biofilm de C. perfringens. La majorité des isolats testés dans cette étude ont démontré la formation d’un biofilm. L’analyse de la matrice a démontré que celle-ci contenait des protéines, de l’ADN extracellulaire ainsi que des polysaccharides liés en bêta-1,4. Une meilleure survie des cellules en biofilm a été observée suite à une exposition à de fortes concentrations d’antibiotiques. Une exposition à de faibles doses de certains antibiotiques semblait diminuer le biofilm formé alors que pour d’autres, le biofilm semblait augmenter. Dans la présente étude, la susceptibilité des biofilms de C. perfringens à la désinfection a été également analysée. Les résultats ont démontré que la formation de biofilm protégeait les cellules de l’action du monopersulfate de potassium, des ammoniums quaternaires, du peroxyde d’hydrogène et du glutéraldéhyde. Toutefois, l’hypochlorite de sodium a été démontré comme étant efficace contre le biofilm de C. perfringens. Il a été démontré que les biofilms mixtes de C. perfringens cultivés en présence de Staphylococcus aureus ou d’Escherichia coli étaient plus résistants à la désinfection en comparaison aux biofilms simples de S. aureus ou d’E. coli. Toutefois, le biofilm simple de C. perfringens était plus résistant à la désinfection que les biofilms mixtes. Finalement, les profils de transcription entre les populations planctoniques et en biofilm ont été analysés par séquençage d’ARN. L’analyse transcriptomique du biofilm a identifié 238 gènes différentiellement exprimés entre les deux conditions. Les gènes négativement régulés sont impliqués dans la virulence, la production d’énergie, le métabolisme des sucres ainsi que dans la biosynthèse des acides gras et des acides aminés alors que les gènes induits sont impliqués dans la réponse au stress et au stress oxydatif, dans la biosynthèse d’acides gras et de phospholipides ainsi que dans la virulence. Cette étude décrit pour la première fois la découverte des gènes associés à la résistance à la bacitracine chez C. perfringens. Elle rapporte également de nouvelles données sur la matrice du biofilm, la tolérance aux antibiotiques et aux désinfectants ainsi que sur le transcriptome du biofilm de C. perfringens.

La génomique évolutive mitochondriale révèle des échanges génétiques et la ségrégation chez les Gloméromycètes

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) sont des organismes microscopiques du sol qui jouent un rôle crucial dans les écosystèmes naturels et que l’on retrouve dans tous les habitats de la planète. Ils vivent en relation symbiotique avec la vaste majorité des plantes terrestres. Ils sont des biotrophes obligatoires, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent croître qu'en présence d'une plante hôte. Cette symbiose permet entre autres à la plante d'acquérir des nutriments supplémentaires, en particulier du phosphore et du nitrate. Malgré le fait que cette symbiose apporte des services importants aux écosystèmes, la richesse des espèces, la structure des communautés, ainsi que la diversité fonctionnelle des CMA sont mal connues et l'approfondissement des connaissances dans ces domaines dépend d’outils de diagnostic moléculaire. Cependant, la présence de polymorphisme nucléaire intra-isolat combiné à un manque de données génomiques dans différents groupes phylogénétique de ces champignons complique le développement de marqueurs moléculaires et la détermination de l'affiliation évolutive à hauts niveaux de résolution (c.a.d. entre espèces génétiquement similaires et/ou isolats de la même espèce). . Pour ces raisons, il semble une bonne alternative d’utiliser un système génétique différent en ciblant le génome mitochondrial, qui a été démontré homogène au sein d'un même isolat de CMA. Cependant, étant donné le mode de vie particulier de ces organismes, une meilleure compréhension des processus évolutifs mitochondriaux est nécessaire afin de valoriser l'utilisation de tels marqueurs dans des études de diversité et en génétique des populations. En ce sens, mon projet de doctorat consistait à investiguerétudier: i) les vecteurs de divergences inter-isolats et -espèces génétiquement rapprochéesphylogénétiquement apparentées, ii) la plasticité des génomes mitochondriaux, iii) l'héritabilité mitochondriale et les mécanismes potentiels de ségrégation, ainsi que iv) la diversité mitochondriale intra-isolat in situ. À l'aide de la génomique mitochondriale comparative, en utilisant le séquençage nouvelle génération, on a démontré la présence de variation génétique substantielle inter-isolats et -espèces, engendrées par l'invasion d'éléments mobiles dans les génomes mitochondriaux des CMA, donnant lieu à une évolution moléculaire rapide des régions intergéniques. Cette variation permettait de développer des marqueurs spécifiques à des isolats de la même espèce. Ensuite, à l'aide d'une approche analytique par réseaux de gènes sur des éléments mobiles, on a été en mesure de démontrer des évènements de recombinaisons homologues entre des haplotypes mitochondriaux distincts, menant à des réarrangements génomiques. Cela a permis d'ouvrir les perspectives sur la dynamique mitochondriale et l'hétéroplasmie dans un même isolatsuggère une coexistence de différents haplotypes mitochondriaux dans les populations naturelles et que les cultures monosporales pourraient induirent une sous-estimation de la diversité allélique mitochondriale. Cette apparente contradiction avec l'homogénéité mitochondriale intra-isolat généralement observée, a amené à investiguer étudier les échanges génétiques à l'aide de croisements d'isolats génétiquement distincts. Malgré l'observation de quelques spores filles hétéroplasmiques, l'homoplasmie était le statut par défaut dans toutes les cultures monosporales, avec un biais en faveur de l'un des haplotypes parentaux. Ces résultats suggèrent que la ségrégation opère durant la formation de la spore et/ou le développement de la coloniedu mycélium. De plus, ils supportent la présence d'une machinerie protéique de ségrégation mitochondriale chez les CMAAMF, où l'ensemble des gènes impliqués dans ce mécanisme ont été retrouvé et sont orthologues aux autres champignons. Finalement, on est revenue aux sources avecon a étudié le polymorphisme mitochondrial intra-isolat à l'aide d'une approche conventionnelle de PCR en utilisant une Taq polymérase de haute fidélité, suivie de clonage et de séquençage Sanger, sur deux isolats de R. irregularis. Cela a permis l'observation d'hétéroplasmie in situ, ainsi que la co-expression de variantes de variantes de protéines'ARNm dans une souche in vitro. Les résultats suggèrent que d'autres études basées sur le séquençage nouvelle génération aurait potentiellement ignorée cette variation, offrant ainsi plusieurs nouveaux arguments permettant de considérer les CMA comme des organismes possédant une population de génomes mitochondriaux et nucléaires distincts.

The plant ovule omics : an integrative approach for pollen−pistil interactions and pollen tube guidance studies in solanaceous species

Chez les plantes à fleurs, l’ovaire est l’organe reproducteur femelle et il interagit de façon importante avec les gamètes mâles durant la croissance, le guidage, la réception et la rupture du tube pollinique ainsi que la fusion des gamètes. Le processus débute lorsque de nombreux gènes de l’ovule sont activés à longue distance lors de la réception du pollen sur le stigmate. Afin d’explorer les signaux provenant de l’ovule ayant un impact important sur les interactions pollen–pistil, particulièrement les molécules sécrétées impliquées dans la signalisation espècespécifique, l’expression génique des ovules sous forme d’ARNm ainsi et la sécrétion protéique ont été étudiées chez Solanum chacoense, une espèce diploïde de pomme de terre sauvage. S. chacoense a subi beaucoup d’hybridation interspécifique avec d’autres espèces sympathiques de solanacées, facilitant ainsi grandement l’étude des interactions pollen–ovule de façon espècespécifique ainsi que leur évolution. Dans ce projet, des ovules provenant de trois conditions différentes ont été comparés: des ovules matures de type sauvage, des ovules légèrement immatures, récoltés deux jours avant l’anthèse et des ovules provenant du mutant frk1 pour lesquels le sac embryonnaire est absent. Un séquençage d’ARN à haut débit a d’abord été effectué sur les ovules de type sauvage de S. chacoense afin de générer un assemblage de référence comprenant 33852 séquences codantes. D’autres séquençages ont été effectués sur les trois conditions d’ovules et sur les feuilles afin de faire une analyse d’expression différentielle des gènes. En comparaison avec les ovules de type sauvage, 818 gènes sont réprimés dans les ovules du mutant frk1. Un sous-groupe de 284 gènes, étaient également sous-exprimés dans les ovules légèrement immatures, suggérant un rôle spécifique dans les stades tardifs de la maturation du sac embryonnaire (stade de développent FG6 à FG7) ainsi que du guidage du tube pollinique, puisque ni les ovules du mutant frk1 ni ceux légèrement immatures ne sont capables d’attirer les tubes polliniques lors d’essais de croissance semi in vivo. De plus, 21% de ces gènes sont des peptides riches en cystéines (CRPs). En utilisant un transcriptome assemblé de novo provenant de deux proches parents de S. chacoense, S. gandarillasii et S. tarijense, une analyse d’orthologie a été effectuée sur ces CRPs, révélant une grande variabilité et une évolution rapide chez les solanacées. De nouveaux motifs de cystéine uniques à cette famille ont également été découverts. En comparant avec des études similaires chez Arabidopsis, le sac embryonnaire de S. chacoense montre un transcriptome fortement divergent, particulièrement en en ce qui a trait à la catégorisation fonctionnelle des gènes et de la similarité entre les gènes orthologues. De plus,même si la glycosylation n’est pas requise lors du guidage mycropylaire du tube pollinique chez Arabidopsis, Torenia ou le maïs, des extraits d’ovules glycosylés de S. chacoense sont capables d’augmenter la capacité de guidage de 18%. Cette étude est donc la première à montrer une corrélation entre glycosylation et le guidage du tube pollinique par l’ovule. En complément à l’approche transcriptomique, une approche protéomique portant sur les protéine sécrétées par l’ovule (le secrétome) a été utilisée afin d’identifier des protéines impliquées dans l’interaction entre ovule et tube pollinique. Des exsudats d’ovules matures (capables d’attirer le tube pollinique) et d’ovules immatures (incapables d’attirer le tube pollinique) ont été récoltés en utilisant une nouvelle méthode d’extraction par gravité permettant de réduire efficacement les contaminants cytosoliques à moins de 1% de l’échantillon. Un total de 305 protéines sécrétées par les ovules (OSPs) ont été identifiées par spectrométrie de masse, parmi lesquelles 58% étaient spécifiques aux ovules lorsque comparées avec des données de protéines sécrétées par des tissus végétatifs. De plus, la sécrétion de 128 OSPs est augmentée dans les ovules matures par rapport aux ovules immatures. Ces 128 protéines sont donc considérées en tant que candidates potentiellement impliquées dans la maturation tardive de l’ovule et dans le guidage du tube pollinique. Cette étude a également montré que la maturation du sac embryonnaire du stade FG6 au stade FG7 influence le niveau de sécrétion de 44% du sécrétome total de l’ovule. De façon surprenante, la grande majorité (83%) de ces protéines n’est pas régulée au niveau de l’ARN, soulignant ainsi l’importance de cette approche dans l’étude du guidage du tube pollinique comme complément essentiel aux études transcriptomiques. Parmi tous les signaux sécrétés par l’ovule et reliés au guidage, obtenus à partir des approches transcriptomiques et protéomiques décrites ci-haut, nous avons spécifiquement évalué l’implication des CRPs dans le guidage du tube pollinique par l’ovule chez S. chacoense, vu l’implication de ce type de protéine dans les interactions pollen-pistil et le guidage du tube pollinique chez d’autres espèces. Au total, 28 CRPs étaient présentes dans les ovules capables d’attirer le tube pollinique tout en étant absentes dans les ovules incapables de l’attirer, et ce, soit au niveau de l’ARNm et/ou au niveau du sécrétome. De celles-ci, 17 CRPs ont été exprimées dans un système bactérien et purifiées en quantité suffisante pour tester le guidage. Alors que des exsudats d’ovules ont été utilisés avec succès pour attirer par chimiotactisme le tube pollinique, les candidats exprimés dans les bactéries n’ont quant à eux pas été capables d’attirer les tubes polliniques. Comme l’utilisation de systèmes d’expression hétérologue eucaryote peut permettre un meilleur repliement et une plus grande activité des protéines, les candidats restants seront de nouveau exprimés, cette fois dans un système de levure ainsi que dans un système végétal pour produire les peptides sécrétés. Ceux-ci seront ensuite utilisés lors d’essais fonctionnels pour évaluer leur capacité à guider les tubes polliniques et ainsi isoler les attractants chimiques responsable du guidage du tube pollinique chez les solanacées comme S. chacoense.

Analyse du métabolisme du soufre de la bactérie autotrophique acidophile Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 19377

Les impacts environnementaux dues à l'extraction minière sont considérables. C'est l'action des microorganismes, en utilisant leur métabolisme du soufre sur les déchets miniers, qui engendre les plus grands défis. Jusqu'à présent, peu de recherches ont été effectués sur les microorganismes environnementaux pour la compréhension globale de l'action du métabolisme du soufre dans une optique de prévention et de rémédiation des impacts environnementaux de l'extraction minière. Dans cette étude, nous avons étudié une bactérie environnementale, Acidithiobacillus thiooxidans, dans le but de comprendre le métabolisme du soufre selon le milieu de culture et le niveau d'acidité du milieu. Nous avons utilisé la transcriptomique à haut débit, RNA-seq, en association avec des techniques de biogéochimie et de microscopie à électrons pour déterminer l'expression des gènes codants les enzymes du métabolisme du soufre. Nous avons trouvé que l'expression des gènes des enzymes du métabolisme du soufre chez ce microorganisme sont dépendantes du milieu, de la phase de croissance et du niveau d'acidité présent dans le milieu. De plus, les analyses biogéochimiques montrent la présence de composés de soufre réduits et d'acide sulfurique dans le milieu. Finalement, une analyse par microscopie électronique révèle que la bactérie emmagasine des réserves de soufre dans son cytoplasme. Ces résultats permettent une meilleure compréhension de son métabolisme et nous rapprochent de la possibilité de développer une technique de prédiction des réactions ayant le potentiel de causer des impacts environnementaux dus à l'extraction minière.

Variability associated to the insertion and expression of transgenes in plants

Amb la finalitat de garantir la seguretat dels consumidors i del medi ambient, a la UE els aliments modificats genèticament (MG) estan sotmesos a un rigorós procés d'autorització que inclou: caracterització molecular del transgèn i anàlisis comparatives a nivell nutricional i agronòmic. L'ús de tècniques de profiling per avaluar la possible existència d'efectes no esperats derivats de la inserció i/o expressió del transgèn s'ha proposat com a una eina complementària per l'avaluació de la seguretat alimentària. L'objectiu de la present tesis és avaluar la variabilitat associada a la inserció i expressió de transgens en plantes, utilitzant com a exemple el blat de moro MON810. Es pretén complementar les aproximacions ja existents basades en l'estudi de paràmetres concrets mitjançant les tècniques de profiling. Des del punt de vista transcriptòmic i proteòmic, les varietats de blat de moro MON810 semblen ser substancialment equivalents a les seves varietats comparables no-MG. En conseqüència, és possible la producció de plantes MG amb el mínim d'efectes no esperats.

Analysis of wheat SAGE tags reveals evidence for widespread antisense transcription

BACKGROUND: Serial Analysis of Gene Expression (SAGE) is a powerful tool for genome-wide transcription studies. Unlike microarrays, it has the ability to detect novel forms of RNA such as alternatively spliced and antisense transcripts, without the need for prior knowledge of their existence. One limitation of using SAGE on an organism with a complex genome and lacking detailed sequence information, such as the hexaploid bread wheat Triticum aestivum, is accurate annotation of the tags generated. Without accurate annotation it is impossible to fully understand the dynamic processes involved in such complex polyploid organisms. Hence we have developed and utilised novel procedures to characterise, in detail, SAGE tags generated from the whole grain transcriptome of hexaploid wheat. RESULTS: Examination of 71,930 Long SAGE tags generated from six libraries derived from two wheat genotypes grown under two different conditions suggested that SAGE is a reliable and reproducible technique for use in studying the hexaploid wheat transcriptome. However, our results also showed that in poorly annotated and/or poorly sequenced genomes, such as hexaploid wheat, considerably more information can be extracted from SAGE data by carrying out a systematic analysis of both perfect and "fuzzy" (partially matched) tags. This detailed analysis of the SAGE data shows first that while there is evidence of alternative polyadenylation this appears to occur exclusively within the 3' untranslated regions. Secondly, we found no strong evidence for widespread alternative splicing in the developing wheat grain transcriptome. However, analysis of our SAGE data shows that antisense transcripts are probably widespread within the transcriptome and appear to be derived from numerous locations within the genome. Examination of antisense transcripts showing sequence similarity to the Puroindoline a and Puroindoline b genes suggests that such antisense transcripts might have a role in the regulation of gene expression. CONCLUSION: Our results indicate that the detailed analysis of transcriptome data, such as SAGE tags, is essential to understand fully the factors that regulate gene expression and that such analysis of the wheat grain transcriptome reveals that antisense transcripts maybe widespread and hence probably play a significant role in the regulation of gene expression during grain development.

In planta proteomics and proteogenomics of the biotrophic barley fungal pathogen blumeria graminis f. sp hordei

To further our understanding of powdery mildew biology during infection, we undertook a systematic shotgun proteomics analysis of the obligate biotroph Blumeria graminis f. sp. hordei at different stages of development in the host. Moreover we used a proteogenomics approach to feed information into the annotation of the newly sequenced genome. We analyzed and compared the proteomes from three stages of development representing different functions during the plant-dependent vegetative life cycle of this fungus. We identified 441 proteins in ungerminated spores, 775 proteins in epiphytic sporulating hyphae, and 47 proteins from haustoria inside barley leaf epidermal cells and used the data to aid annotation of the B. graminis f. sp. hordei genome. We also compared the differences in the protein complement of these key stages. Although confirming some of the previously reported findings and models derived from the analysis of transcriptome dynamics, our results also suggest that the intracellular haustoria are subject to stress possibly as a result of the plant defense strategy, including the production of reactive oxygen species. In addition, a number of small haustorial proteins with a predicted N-terminal signal peptide for secretion were identified in infected tissues: these represent candidate effector proteins that may play a role in controlling host metabolism and immunity. Molecular & Cellular Proteomics 8: 2368-2381, 2009.

In planta proteomics and proteogenomics of the biotrophic barley fungal pathogen blumeria graminis f. sp hordei

To further our understanding of powdery mildew biology during infection, we undertook a systematic shotgun proteomics analysis of the obligate biotroph Blumeria graminis f. sp. hordei at different stages of development in the host. Moreover we used a proteogenomics approach to feed information into the annotation of the newly sequenced genome. We analyzed and compared the proteomes from three stages of development representing different functions during the plant-dependent vegetative life cycle of this fungus. We identified 441 proteins in ungerminated spores, 775 proteins in epiphytic sporulating hyphae, and 47 proteins from haustoria inside barley leaf epidermal cells and used the data to aid annotation of the B. graminis f. sp. hordei genome. We also compared the differences in the protein complement of these key stages. Although confirming some of the previously reported findings and models derived from the analysis of transcriptome dynamics, our results also suggest that the intracellular haustoria are subject to stress possibly as a result of the plant defense strategy, including the production of reactive oxygen species. In addition, a number of small haustorial proteins with a predicted N-terminal signal peptide for secretion were identified in infected tissues: these represent candidate effector proteins that may play a role in controlling host metabolism and immunity. Molecular & Cellular Proteomics 8: 2368-2381, 2009.

Exposure of Escherichia coli and Salmonella enterica serovar Typhimurium to triclosan induces a species-specific response, including drug detoxification

Objectives: The use of triclosan within various environments has been linked to the development of multiple drug resistance (MDR) through the increased expression of efflux pumps such as AcrAB-ToIC. In this work, we investigate the effect of triclosan exposure in order to ascertain the response of two species to the presence of this widely used biocide. Methods: The transcriptomes of Salmonella enterica serovar Typhimurium SL1344 and Escherichia coli K-12 MG1655 after exposure to the MIC of triclosan (0.12 mg/L) were determined in microarray experiments. Phenotypic validation of the transcriptomic data included RT-PCR, ability to form a biofilm and motility assays. Results: Despite important differences in the triclosan-dependent transcriptomes of the two species, increased expression of efflux pump component genes was seen in both. Increased expression of soxS was observed in Salmonella Typhimurium, however, within E. coli, decreased expression was seen. Expression of fabBAGI in Salmonella Typhimurium was decreased, whereas in E. coli expression of fabABFH was increased. Increased expression of ompR and genes within this regulon (e.g. ompC, csgD and ssrA) was seen in the transcriptome of Salmonella Typhimurium. An unexpected response of E. coli was the differential expression of genes within operons involved in iron homeostasis; these included fhu, fep and ent. Conclusions: These data indicate that whilst a core response to triclosan exposure exists, the differential transcriptome of each species was different. This suggests that E. coli K-12 should not be considered the paradigm for the Enterobacteriaceae when exploring the effects of antimicrobial agents.

The gut microbiota elicits a profound metabolic reorientation in the mouse jejunal mucosa during conventionalisation

Objective: Proper interactions between the intestinal mucosa, gut microbiota and nutrient flow are required to establish homoeostasis of the host. Since the proximal part of the small intestine is the first region where these interactions occur, and since most of the nutrient absorption occurs in the jejunum, it is important to understand the dynamics of metabolic responses of the mucosa in this intestinal region.Design: Germ-free mice aged 8-10 weeks were conventionalised with faecal microbiota, and responses of the jejunal mucosa to bacterial colonisation were followed over a 30-day time course. Combined transcriptome, histology, (1)H NMR metabonomics and microbiota phylogenetic profiling analyses were used.Results: The jejunal mucosa showed a two-phase response to the colonising microbiota. The acute-phase response, which had already started 1 day after conventionalisation, involved repression of the cell cycle and parts of the basal metabolism. The secondary-phase response, which was consolidated during conventionalisation (days 4-30), was characterised by a metabolic shift from an oxidative energy supply to anabolic metabolism, as inferred from the tissue transcriptome and metabonome changes. Detailed transcriptome analysis identified tissue transcriptional signatures for the dynamic control of the metabolic reorientation in the jejunum. The molecular components identified in the response signatures have known roles in human metabolic disorders, including insulin sensitivity and type 2 diabetes mellitus.Conclusion: This study elucidates the dynamic jejunal response to the microbiota and supports a prominent role for the jejunum in metabolic control, including glucose and energy homoeostasis. The molecular signatures of this process may help to find risk markers in the declining insulin sensitivity seen in human type 2 diabetes mellitus, for instance.

p90 ribosomal S6 kinases play a significant role in early gene regulation in the cardiomyocyte response to Gq protein-coupled receptor stimuli, endothelin-1 and α1-adrenergic receptor agonists

Extracellular signal-regulated kinases 1/2 (ERK1/2) and their substrates, p90 ribosomal S6 kinases (RSKs), phosphorylate different transcription factors, contributing differentially to transcriptomic profiles. In cardiomyocytes, ERK1/2 are required for >70% of the transcriptomic response to endothelin-1. Here, we investigated the role of RSKs in the transcriptomic responses to Gq protein-coupled receptor agonists, endothelin-1, phenylephrine (generic α1-adrenergic receptor agonist) and A61603 (α1A-adrenergic receptor selective). Phospho-ERK1/2 and phospho-RSKs appeared in cardiomyocyte nuclei within 2-3 min of stimulation (endothelin-1>a61603≈phenylephrine). All agonists increased nuclear RSK2, but only endothelin-1 increased nuclear RSK1 content. PD184352 (inhibits ERK1/2 activation) and BI-D1870 (inhibits RSKs) were used to dissect the contribution of RSKs to the endothelin-1-responsive transcriptome. Of 213 RNAs upregulated at 1 h, 51% required RSKs for upregulation whereas 29% required ERK1/2 but not RSKs. The transcriptomic response to phenylephrine overlapped with, but was not identical to, endothelin-1. As with endothelin-1, PD184352 inhibited upregulation of most phenylephrine-responsive transcripts, but the greater variation in effects of BI-D1870 suggests that differential RSK signalling influences global gene expression. A61603 induced similar changes in RNA expression in cardiomyocytes as phenylephrine, indicating that the signal was mediated largely through α1A-adrenergic receptors. A61603 also increased expression of immediate early genes in perfused adult rat hearts and, as in cardiomyocytes, upregulation of the majority of genes was inhibited by PD184352. PD184352 or BI-D1870 prevented the increased surface area induced by endothelin-1 in cardiomyocytes. Thus, RSKs play a significant role in regulating cardiomyocyte gene expression and hypertrophy in response to Gq protein-coupled receptor stimulation.

The early transcriptomic response to interleukin 1β and interleukin 33 in rat neonatal cardiomyocytes

In the heart, inflammatory cytokines including interleukin (IL) 1β are implicated in regulating adaptive and maladaptive changes, whereas IL33 negatively regulates cardiomyocyte hypertrophy and promotes cardioprotection. These agonists signal through a common co-receptor but, in cardiomyocytes, IL1β more potently activates mitogen-activated protein kinases and NFκB, pathways that regulate gene expression. We compared the effects of external application of IL1β and IL33 on the cardiomyocyte transcriptome. Neonatal rat cardiomyocytes were exposed to IL1β or IL33 (0.5, 1 or 2h). Transcriptomic profiles were determined using Affymetrix rat genome 230 2.0 microarrays and data were validated by quantitative PCR. IL1β induced significant changes in more RNAs than IL33 and, generally, to a greater degree. It also had a significantly greater effect in downregulating mRNAs and in regulating mRNAs associated with selected pathways. IL33 had a greater effect on a small, select group of specific transcripts. Thus, differences in intensity of intracellular signals can deliver qualitatively different responses. Quantitatively different responses in production of receptor agonists and transcription factors may contribute to qualitative differences at later times resulting in different phenotypic cellular responses.

Gut bacteria-host metabolic interplay during conventionalisation of the mouse germfree colon

The interplay between dietary nutrients, gut microbiota and mammalian host tissues of the gastrointestinal tract is recognised as highly relevant for host health. Combined transcriptome, metabonome and microbial profiling tools were employed to analyse the dynamic responses of germfree mouse colonic mucosa to colonisation by normal mouse microbiota (conventionalisation) at different time-points during 16 days. The colonising microbiota showed a shift from early (days 1 and 2) to later colonisers (days 8 and 16). The dynamic changes in the microbial community were rapidly reflected by the urine metabolic profiles (day 1) and at later stages (day 4 onward) by the colon mucosa transcriptome and metabolic profiles. Correlations of host transcriptomes, metabolite patterns and microbiota composition revealed associations between Bacilli and Proteobacteria, and differential expression of host genes involved in energy and anabolic metabolism. Differential gene expression correlated with scyllo- and myo-inositol, glutamine, glycine and alanine levels in colonic tissues during the time span of conventionalisation. Our combined time-resolved analyses may help to expand the understanding of host-microbe molecular interactions during the microbial establishment.