Structure of the glycosyl-phosphatidylinositol membrane anchor of the Leishmania major promastigote surface protease.

In common with many other plasma membrane glycoproteins of eukaryotic origin, the promastigote surface protease (PSP) of the protozoan parasite Leishmania contains a glycosyl-phosphatidylinositol (GPI) membrane anchor. The GPI anchor of Leishmania major PSP was purified following proteolysis of the PSP and analyzed by two-dimensional 1H-1H NMR, compositional and methylation linkage analyses, chemical and enzymatic modifications, and amino acid sequencing. From these results, the structure of the GPI-containing peptide was found to be Asp-Gly-Gly-Asn-ethanolamine-PO4-6Man alpha 1-6Man alpha 1-4GlcN alpha 1-6myo-inositol-1-PO4-(1-alkyl-2-acyl-glycerol). The glycan structure is identical to the conserved glycan core regions of the GPI anchor of Trypanosoma brucei variant surface glycoprotein and rat brain Thy-1 antigen, supporting the notion that this portion of GPIs are highly conserved. The phosphatidylinositol moiety of the PSP anchor is unusual, containing a fully saturated, unbranched 1-O-alkyl chain (mainly C24:0) and a mixture of fully saturated unbranched 2-O-acyl chains (C12:0, C14:0, C16:0, and C18:0). This lipid composition differs significantly from those of the GPIs of T. brucei variant surface glycoprotein and mammalian erythrocyte acetylcholinesterase but is similar to that of a family of glycosylated phosphoinositides found uniquely in Leishmania.

Characterization of membrane vesicles circulating in the serum of patients with common acute lymphoblastic leukemia.

Common acute lymphoblastic leukemia antigen detected by radioimmunoassay in the serum of patients with common acute lymphoblastic leukemia was found to be exclusively associated with the pellet of the serum samples obtained by ultracentrifugation at 100,000 X g. The pellets were shown to contain membrane vesicles or fragments which were characterized by electron microscopy and determination of enzymatic activity. The pelleted fragments had an apparent diameter ranging between 60 and 260 nm and showed a trilaminar membrane structure. On freeze-fracture preparations, the fragments with concave profile, corresponding to the external fracture face of plasma membrane, displayed an intramembrane particle density (ranging from 0 to 750 particles per micron2) which is similar to that recorded on the corresponding fracture face of intact cells from the common lymphoblastic leukemia antigen positive leukemic cell line (Nalm-1) or of vesicles shed in the culture medium by Nalm-1 cells. Furthermore, analysis of the membrane enzyme marker 5'-nucleotidase in the pellet of patient's sera, showed that the presence of this enzyme correlated with that of common lymphoblastic leukemia antigen, but the quantitative relationship between the two surface constituents was not linear. The results suggest that the two markers are located on the same membrane fragments, but that their individual distribution on the shed fragments is heterogeneous.

Paired activation of two components within muscarinic M3 receptor dimers is required for recruitment of beta-arrestin-1 to the plasma membrane.

beta-Arrestins regulate the functioning of G protein-coupled receptors in a variety of cellular processes including receptor-mediated endocytosis and activation of signaling molecules such as ERK. A key event in these processes is the G protein-coupled receptor-mediated recruitment of beta-arrestins to the plasma membrane. However, despite extensive knowledge in this field, it is still disputable whether activation of signaling pathways via beta-arrestin recruitment entails paired activation of receptor dimers. To address this question, we investigated the ability of different muscarinic receptor dimers to recruit beta-arrestin-1 using both co-immunoprecipitation and fluorescence microscopy in COS-7 cells. Experimentally, we first made use of a mutated muscarinic M(3) receptor, which is deleted in most of the third intracellular loop (M(3)-short). Although still capable of activating phospholipase C, this receptor loses almost completely the ability to recruit beta-arrestin-1 following carbachol stimulation in COS-7 cells. Subsequently, M(3)-short was co-expressed with the M(3) receptor. Under these conditions, the M(3)/M(3)-short heterodimer could not recruit beta-arrestin-1 to the plasma membrane, even though the control M(3)/M(3) homodimer could. We next tested the ability of chimeric adrenergic muscarinic alpha(2)/M(3) and M(3)/alpha(2) heterodimeric receptors to co-immunoprecipitate with beta-arrestin-1 following stimulation with adrenergic and muscarinic agonists. beta-Arrestin-1 co-immunoprecipitation could be induced only when carbachol or clonidine were given together and not when the two agonists were supplied separately. Finally, we tested the reciprocal influence that each receptor may exert on the M(2)/M(3) heterodimer to recruit beta-arrestin-1. Remarkably, we observed that M(2)/M(3) heterodimers recruit significantly greater amounts of beta-arrestin-1 than their respective M(3)/M(3) or M(2)/M(2) homodimers. Altogether, these findings provide strong evidence in favor of the view that binding of beta-arrestin-1 to muscarinic M(3) receptors requires paired stimulation of two receptor components within the same receptor dimer.

Clinical implications in the shift of syndecan-1 expression from the cell membrane to the cytoplasm in bladder cancer

Background To determine the diagnostic and prognostic capability of urinary and tumoral syndecan-1 (SDC-1) levels in patients with cancer of the urinary bladder. Methods SDC-1 levels were quantitated by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) in 308 subjects (102 cancer subjects and 206 non-cancer subjects) to assess its diagnostic capabilities in voided urine. The performance of SDC-1 was evaluated using the area under the curve of a receiver operating characteristic curve. In addition, immunohistochemical (IHC) staining assessed SDC-1 protein expression in 193 bladder specimens (185 cancer subjects and 8 non-cancer subjects). Outcomes were correlated to SDC-1 levels. Results Mean urinary levels of SDC-1 did not differ between the cancer subjects and the non-cancer subjects, however, the mean urinary levels of SDC-1 were reduced in high-grade compared to low-grade disease (p < 0.0001), and in muscle invasive bladder cancer (MIBC) compared to non-muscle invasive bladder cancer (NMIBC) (p = 0.005). Correspondingly, preliminary data note a shift from a membranous cellular localization of SDC-1 in normal tissue, low-grade tumors and NMIBC, to a distinctly cytoplasmic localization in high-grade tumors and MIBC was observed in tissue specimens. Conclusion Alone urinary SDC-1 may not be a diagnostic biomarker for bladder cancer, but its urinary levels and cellular localization were associated with the differentiation status of patients with bladder tumors. Further studies are warranted to define the potential role for SDC-1 in bladder cancer progression.

Clinical implications in the shift of syndecan-1 expression from the cell membrane to the cytoplasm in bladder cancer

Background To determine the diagnostic and prognostic capability of urinary and tumoral syndecan-1 (SDC-1) levels in patients with cancer of the urinary bladder. Methods SDC-1 levels were quantitated by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) in 308 subjects (102 cancer subjects and 206 non-cancer subjects) to assess its diagnostic capabilities in voided urine. The performance of SDC-1 was evaluated using the area under the curve of a receiver operating characteristic curve. In addition, immunohistochemical (IHC) staining assessed SDC-1 protein expression in 193 bladder specimens (185 cancer subjects and 8 non-cancer subjects). Outcomes were correlated to SDC-1 levels. Results Mean urinary levels of SDC-1 did not differ between the cancer subjects and the non-cancer subjects, however, the mean urinary levels of SDC-1 were reduced in high-grade compared to low-grade disease (p < 0.0001), and in muscle invasive bladder cancer (MIBC) compared to non-muscle invasive bladder cancer (NMIBC) (p = 0.005). Correspondingly, preliminary data note a shift from a membranous cellular localization of SDC-1 in normal tissue, low-grade tumors and NMIBC, to a distinctly cytoplasmic localization in high-grade tumors and MIBC was observed in tissue specimens. Conclusion Alone urinary SDC-1 may not be a diagnostic biomarker for bladder cancer, but its urinary levels and cellular localization were associated with the differentiation status of patients with bladder tumors. Further studies are warranted to define the potential role for SDC-1 in bladder cancer progression.

Impact of T cell receptor affinity on the molecular mechanisms modulating CD8 T cell signalling and function against NY-ESO-1 tumour antigen

It is well established that cytotoxic T lymphocytes play a pivotal role in the protection against intracellular pathogens and tumour cells. Such protective immune responses rely on the specific T cell receptor (TCR)-mediated recognition by CD8 T cells of small antigenic peptides presented in the context of class-I Major Histocompatibility Complex molecules (pMHCs) on the surface of infected or malignant cells. The strength (affinity/avidity) of this interaction is a major correlate of protection. Although tumour-reactive CD8 T cells can be observed in cancer patients, anti-tumour immune responses are often ineffective in controlling or eradicating the disease due to the relative low TCR affinity of these cells. To overcome this limitation, tumour-specific CD8 T cells can be genetically modified to express TCRs of improved binding strength against a defined tumour antigen before adoptive cell transfer into cancer patients. We previously generated a panel of TCRs specific for the cancer-testis antigen NY-ESO-l,57.165 with progressively increased affinities for the pMHC complex, thus providing us with a unique tool to investigate the causal link between the surface expression of such TCRs and T cell activation and function. We recently demonstrated that anti-tumour CD8 T cell reactivity could only be improved within physiological affinity limits, beyond which drastic functional declines were observed, suggesting the presence of multiple regulatory mechanisms limiting T cell activation and function in a TCR affinity-dependent manner. The overarching goal of this thesis was (i) to assess the precise impact of TCR affinity on T cell activation and signalling at the molecular level and (ii) to gain further insights on the mechanisms that regulate and delimitate maximal/optimized CD8 T cell activation and signalling. Specifically, by combining several technical approaches we characterized the activation status of proximal (i.e. CD3Ç, Lek, and ZAP-70) and distal (i.e. ERK1/2) signalling molecules along the TCR affinity gradient. Moreover, we assessed the extent of TCR downmodulation, a critical step for initial T cell activation. CD8 T cells engineered with the optimal TCR affinity variants showed increased activation levels of both proximal and distal signalling molecules when compared to the wild-type T cells. Our analyses also highlighted the "paradoxical" status of tumour-reactive CD8 T cells bearing very high TCR affinities, which retained strong proximal signalling capacity and TCR downmodulation, but were unable to propagate signalling distally (i.e. pERKl/2), resulting in impaired cell-mediated functions. Importantly, these very high affinity T cells displayed maximal levels of SHP-1 and SHP-2 phosphatases, two negative regulatory molecules, and this correlated with a partial pERKl/2 signalling recovery upon pharmacological SHP-l/SHP-2 inhibition. These findings revealed the putative presence of inhibitory regulators of the TCR signalling cascade acting very rapidly following tumour-specific stimulation. Moreover, the very high affinity T cells were only able to transiently express enhanced proximal signalling molecules, suggesting the presence of an additional level of regulation that operates through the activation of negative feedback loops over time, limiting the duration of the TCR-mediated signalling. Overall, the determination of TCR-pMHC binding parameters eliciting optimal CD8 T cell activation, signalling, and effector function while guaranteeing high antigen specificity, together with the identification of critical regulatory mechanisms acting proximally in the TCR signalling cascade, will directly contribute to optimize and support the development of future TCR-based adoptive T cell strategies for the treatment of malignant diseases. -- Les lymphocytes T CD8 cytotoxiques jouent un rôle prédominant dans la protection contre les pathogènes intracellulaires et les cellules tumorales. Ces réponses immunitaires dépendent de la spécificité avec laquelle les récepteurs T (TCR) des lymphocytes CD8 reconnaissent les peptides antigéniques présentés par les molécules du complexe Majeur de Histocompatibilité de classe I (pCMH) à la surface des cellules infectées ou malignes. La force (ou affinité/avidité) de l'interaction du TCR-pCMH est un corrélat majeur de protection. Les réponses immunitaires sont cependant souvent inefficaces et ne permettent pas de contrôler ou d'éliminer les cellules tumorales chez les patients atteint du cancer, et ce à cause de la relative faible reconnaissance des TCRs exprimés par les lymphocytes T CD8 envers les antigènes tumoraux. Afin de surmonter cette limitation, les cellules T anti-tumorales peuvent être génétiquement modifiées en les dotant de TCRs préalablement optimisés afin d'augmenter leur reconnaissance ou affinité contre les antigènes tumoraux, avant leur ré¬infusion dans le patient. Nous avons récemment généré des cellules T CD8 exprimant un panel de TCRs spécifiques pour l'antigène tumoral NY-ESO-l157.16J avec des affinités croissantes, permettant ainsi d'investiguer la causalité directe entre l'affinité du TCR-pCMH et la fonction des cellules T CD8. Nous avons démontré que la réactivité anti-tumorale pouvait être améliorée en augmentant l'affinité du TCR dans une intervalle physiologique, mais au delà duquel nous observons un important déclin fonctionnel. Ces résultats suggèrent la présence de mécanismes de régulation limitant l'activation des cellules T de manière dépendante de l'affinité du TCR. Le but de cette thèse a été (i) de définir l'impact précis de l'affinité du TCR sur l'activation et la signalisation des cellules T CD8 au niveau moléculaire et (ii) d'acquérir de nouvelles connaissances sur les mécanismes qui régulent et délimitent l'activation et la signalisation maximale des cellules T CD8 optimisées. Spécifiquement, en combinant plusieurs approches technologiques, nous avons caractérisé l'état d'activation de différentes protéines de la voie de signalisation proximale (CD3Ç, Lek et ZAP-70) et distale (ERK1/2) le long du gradient d'affinité du TCR, ainsi que l'internalisation du TCR, une étape clef dans l'activation initiale des cellules T. Les lymphocytes T CD8 exprimant des TCRs d'affinité optimale ont montré des niveaux d'activation augmentés des molécules proximales et distales par rapport aux cellules de type sauvage (wild-type). Nos analyses ont également mis en évidence un paradoxe chez les cellules T CD8 équipées avec des TCRs de très haute affinité. En effet, ces cellules anti-tumorales sont capables d'activer leurs circuits biochimiques au niveau proximal et d'internaliser efficacement leur TCR, mais ne parviennent pas à propager les signaux biochimiques dépendants du TCR jusqu'au niveau distal (via phospho-ERKl/2), avec pour conséquence une limitation de leur capacité fonctionnelle. Finalement, nous avons démontré que SHP-1 et SHP-2, deux phosphatases avec des propriétés régulatrices négatives, étaient majoritairement exprimées dans les cellules T CD8 de très hautes affinités. Une récupération partielle des niveaux d'activation de ERK1/2 a pu être observée après l'inhibition pharmacologique de ces phosphatases. Ces découvertes révèlent la présence de régulateurs moléculaires qui inhibent le complexe de signalisation du TCR très rapidement après la stimulation anti-tumorale. De plus, les cellules T de très hautes affinités ne sont capables d'activer les molécules de la cascade de signalisation proximale que de manière transitoire, suggérant ainsi un second niveau de régulation via l'activation de mécanismes de rétroaction prenant place progressivement au cours du temps et limitant la durée de la signalisation dépendante du TCR. En résumé, la détermination des paramètres impliqués dans l'interaction du TCR-pCMH permettant l'activation de voies de signalisation et des fonctions effectrices optimales ainsi que l'identification des mécanismes de régulation au niveau proximal de la cascade de signalisation du TCR contribuent directement à l'optimisation et au développement de stratégies anti-tumorales basées sur l'ingénierie des TCRs pour le traitement des maladies malignes.

Role of Membrane Transporters, P-Glycoprotein and Mrp1, in The Placental Transfer of Drugs With Special Reference to Saquinavir and Quetiapine

Drug transporting membrane proteins are expressed in various human tissues and blood-tissue barriers, regulating the transfer of drugs, toxins and endogenous compounds into or out of the cells. Various in vitro and animal experiments suggest that P-glycoprotein (P-gp) forms a functional barrier between maternal and fetal blood circulation in the placenta thereby protecting the fetus from exposure to xenobiotics during pregnancy. The multidrug resistance-associated protein 1 (MRP1) is a relatively less studied transporter protein in the human placenta. The aim of this study series was to study the role of placental transporters, apical P-gp and basal MRP1, using saquinavir as a probe drug, and to study transfer of quetiapine and the role of P-gp in its transfer in the dually perfused human placenta/cotyledon. Furthermore, two ABCB1 (encoding P-gp) polymorphisms (c.3435C>T, p.Ile1145Ile and c.2677G>T/A, p.Ala893Ser/Thr) were studied to determine their impact on P-gp protein expression level and on the transfer of the study drugs. Also, the influence of the P-gp protein expression level on the transfer of the study drugs was addressed. Because P-gp and MRP1 are ATP-dependent drug-efflux pumps, it was studied whether exogenous ATP is needed for the function of ATP-dependent transporter in the present experimental model. The present results indicated that the addition of exogenous ATP was not necessary for transporter function in the perfused human placental cotyledon. Saquinavir and quetiapine were both found to cross the human placenta; transplacental transfer (TPTAUC %) for saquinavir was <0.5% and for quetiapine 3.7%. Pharmacologic blocking of P-gp led to disruption of the blood-placental barrier (BPB) and increased the placental transfer of P-gp substrate, saquinavir, into the fetal circulation by 6- to 8-fold. In reversed perfusions P-gp, MRP1 and possibly OATP2B1 had a negligible role in the fetal-to-maternal transfer of saquinavir. The TPTAUC % of saquinavir was about 100-fold greater from the fetal side to the maternal side compared with the maternal-to-fetal transfer. P-gp activity is not likely to modify the placental transfer of quetiapine. Higher P-gp protein expression levels were associated with the variant allele 3435T, but no correlation was found between the TPTAUC % of saquinavir and placental P-gp protein expression. The present results indicate that P-gp activity drastically affects the fetal exposure to saquinavir, and suggest that pharmacological blockade of the P-gp activity during pregnancy may pose an increased risk for adverse fetal outcome. The blockade of P-gp activity could be used in purpose to obtain higher drug concentration to the fetal side, for example, in prevention (to decrease virus transfer to fetal side) or in treating sick fetus.

Intracellular membrane trafficking in Osteoclasts The role of direct Rab protein – Rac 1 interactions in the targeting of intracellular vesicles

Osteoclasts are cells responsible for bone resorption. These cells undergo extensive membrane re-organization during their polarization for bone resorption and form four distinct membrane domains, namely the ruffled border, the basolateral membrane, the sealing zone and the functional secretory domain. The endocytic/biosynthetic pathway and transcytotic route(s) are important for the resorption process, since the endocytic/biosynthetic pathway brings the specific vesicles to the ruffled border whereas the transcytotic flow is believed to transport the degraded bone matrix away from the resorption lacuna to the functional secretory domain. In the present study, we found a new transcytotic route from the functional secretory domain to the ruffled border, which may compensate membrane loss from the ruffled border during the resorption process. We also found that lipid rafts are essential for the ruffled border-targeted late endosomal pathways. A small GTP-binding protein, Rab7, has earlier been shown to regulate the late steps of the endocytic pathway. In bone-resorbing osteoclasts it is involved in the formation of the ruffled border, which displays several features of late endosomal membranes. Here we discovered a new Rab7-interacting protein, Rac1, which is another small GTP-binding protein and binds to the GTP-form of Rab7 in vitro. We demonstrated further that Rab7 colocalizes with Rac1 at the fusion zone of the ruffled border in bone-resorbing osteoclasts. In other cell types, such as fibroblast-like cells, this colocalization is mainly perinuclear. Because Rac1 is known to control the actin cytoskeleton through its effectors, we suggest that the Rab7-Rac1 interaction may mediate late endosomal transport between microtubules and microfilaments, thus enabling endosomal vesicles to switch tracks from microtubules to microfilaments before their fusion to the ruffled border. We then studied the role of Rab-Rac1 interaction in the slow recycling pathway. We revealed that Rac1 also binds directly to Rab11 and to some other but not all Rab-proteins, suggesting that Rab-Rac1 interaction could be a general regulatory mechanism to direct the intracellular vesicles from microtubule mediated transport to actin filament mediated transport and vice versa. On the basis of our results we thus propose a new hypothesis for these GTPases in the regulation of intracellular membrane flow.

Solid phase extraction of zinc with octadecyl silica membrane disks modified by N,N'-disalicylidene-1,2-phenylendiamine and determination by flame atomic absorption spectrometry

A procedure for separation and preconcentration of trace amounts of Zn(II) from aqueous media is proposed. The procedure is based on the adsorption of Zn2+ on octadecyl bonded silica membrane disk modified with N,N'-disalicylidene-1,2-phenylendiamine at pH 7. The retained zinc ions were then stripped from the disk with a minimal amount of 1.5 mol L-1 hydrochloric acid solution as eluent, and determined by flame atomic absorption spectrometry. Maximum capacity of the membrane disk modified with 5 mg of the ligand was found to be 226 µg Zn2+. The relative standard deviation of zinc for ten replicate extraction of 10 µg zinc from 1000 mL samples was 1.2%. The limit of detection of the proposed method was 14 ng of Zn2+ per 1000 mL. The method was successfully applied to the determination of zinc in natural water samples and accuracy was examined by recovery experiments and independent analysis by graphite furnace atomic absorption spectrometry (GFAAS).

Islet antigen-specific T cells and regulatory T cells in type 1 diabetes

T cells are the key players in the development of type 1 diabetes (T1D), mediating autoimmune reactions leading to the destruction of insulin producing beta cells in the islets. We aimed to analyze the role of different T-cell subtypes in the autoimmunity and pathogenesis of T1D. The frequency of islet antigen-specific (GAD65-, proinsulin-, and insulin-specific) CD4+ T cells was investigated in vitro in T1D patients, at-risk individuals (diabetes-associated autoantibody positive), and in controls, using MHC class II tetramers. An overall higher frequency of CD4+ T-cells recognizing the GAD65 555−567 peptide was detected in at-risk individuals. In addition, increased CD4+ T-cell responses to the same GAD65 epitope displaying a memory phenotype were observed in at-risk and diabetic children, which demonstrate a previous encounter with the antigen in vivo. Avidity and phenotypic differences were also observed among CD4+ T-cell clones induced by distinct doses of GAD65 autoantigen. T-cell clones generated at the lowest peptide dose displayed the highest avidity and expressed more frequently the TCR Vβ5.1 chain than low-avidity T cells. These findings raise attention to the antigen dose when investigating the diversity of antigen-specific T cells. Furthermore, an increased regulatory response during the preclinical phase of T1D was also found in genetically at-risk children. Higher frequencies of regulatory T (Treg) cells (CD4+CD25_high HLA-DR-/CD69-) and natural killer T (NKT) cells (CD161+Vbeta11+) were observed in children with multiple autoantibodies compared to autoantibody-negative controls. Taken together, these data showed increased frequency of islet-specific CD4+ T-cells, especially to the GAD65 555-567 epitope, and Treg and NKT cell upregulation in children at-risk for T1D, suggesting their importance in T1D pathogenesis

Measurement of Ki-67 antigen in 159 pituitary adenomas using the MIB-1 monoclonal antibody

Pituitary adenomas sometimes show rapid growth and recurrence, and about one third invade the structures surrounding the sella turcica. In an attempt to determine aggressive behavior at an early stage, we used the MIB-1 antibody to identify the Ki-67 antigen. The present study was designed to evaluate pituitary adenomatous tissue in terms of secretion and proliferation and to correlate the Ki-67 index with hormone phenotype and invasive behavior. Material from 159 patients submitted to one or more resections of pituitary adenomas was evaluated. Forty-two non-secretory adenomas and 43 adenomas immunoreactive for growth hormone, 19 for prolactin, 18 for growth hormone and prolactin, 16 for adrenocorticotropic hormone (ACTH), and 21 cases of plurihormonal/gonadotropin adenomas were detected by immunohistochemistry. The MIB-1 antibody was positive in 139 samples and the Ki-67 index ranged from 0.16 to 15.48% (mean = 1.22 ± 2.09%), with no significant difference between genders, age groups, or secretory and non-secretory status. The Ki-67 index was higher in ACTH-secreting adenomas. Invasive pituitary adenomas had a significantly higher Ki-67 index (2.01 ± 3.15%) than macroadenomas with or without supra-sellar extension (1.12 ± 1.87%; P = 0.02). The index was not significantly different in the subgroup of adenomas with invasion of the cavernous sinus compared to groups with other types of invasion. We conclude that tumoral proliferative activity evaluated by the detection of the Ki-67 antigen is significantly higher in invasive than noninvasive adenomas, information which can be useful in therapeutic postoperative management since index cut-off values associated with aggressive behavior can be established.

Characterization of the phosphorylation of thylakoid membrane proteins from cyanobacterium synechococcus sp. PCC 6301 in light state 1 and light state 2

The distribution of excitation energy between the two photosystems (PSII and PSI) of photosynthesis is regulated by the light state transition. Three models have been proposed for the mechanism of the state transition in phycobilisome (PBS) containing organisms, two involving protein phosphorylation. A procedure for the rapid isolation of thylakoid membranes and PBS fractions from the cyanobacterium Synechococcus m. PCC 6301 in light state 1 and light state 2 was developed. The phosphorylation of thylakoid and soluble proteins rapidly isolated from intact cells in state 1 and state 2 was investigated. 77 K fluorescence emission spectra revealed that rapidly isolated thylakoid membranes retained the excitation energy distribution characteristic of intact cells in state 1 and state 2. Phosphoproteins were identified by gel electrophoresis of both thylakoid membrane and phycobilisome fractions isolated from cells labelled with 32p orthophosphate. The results showed very close phosphoprotein patterns for either thylakoid membrane or PBS fractions in state 1 and state 2. These results do not support proposed models for the state transition which required phosphorylation of PBS or thylakoid membrane proteins.

Développement d'une méthode d'isolation des noyaux adaptée aux macrophages pour une caractérisation protéomique d'une nouvelle structure autophagique induite par le virus HSV-1

L’autophagie est un processus cellulaire catabolique qui a été conservé durant l’évolution de la levure à l’homme. Cet important mécanisme consiste en une dégradation des composants cytoplasmiques dans une structure lytique, le lysosome. Il existe trois types de l’autophagie : la microautophagie, l’autophagie médiée par les chaperones et la macroautophagie nommée « autophagie ». Il a été démontré que lors de l’autophagie, le matériel cytoplasmique (protéines cytosoliques et organites) est séquestré dans l’autophagosome qui finit par fusionner avec le lysosome, formant ainsi l’autophagolysosome. Le matériel séquestré et la membrane interne de l’autophagosome seront dégradés par les hydrolases lysosomales. Plusieurs études se sont focalisées sur la détermination de la machinerie moléculaire et les mécanismes de l’autophagie. Il a été démontré l’implication de 31 molécules Atg essentielles dans le processus de l’autophagie. L’identification de ces protéines a permis de déceler le rôle de l’autophagie non seulement dans le maintien de l’homéostasie cellulaire mais aussi dans la défense contre les agents pathogènes. En effet, l’autophagie joue un rôle important dans l’immunité innée conduisant à contrôler l’évasion des pathogènes dont les bactéries et les virus. Également, l’autophagie est impliquée dans l’immunité adaptative en favorisant la présentation des antigènes viraux par le CMH de classe II aux cellules T CD4+. De plus, une étude récente suggère que l’autophagie contribue à la présentation antigénique par le CMH de classe I aux cellules T CD8+ durant une infection virale par le virus HSV-1 (Herpes simplex type 1). Toutefois, certains virus y compris HSV-1 ont pu développer des mécanismes pour contourner et inhiber en partie le rôle protecteur de l’autophagie. Récemment, une étude dans notre laboratoire a mis en évidence, lors d’une infection virale par HSV-1 des cellules macrophages BMA, la présence d’une nouvelle structure autophagique dans une phase tardive de l’infection. Cette nouvelle structure est différente des autophagosomes classiques à double membrane et est caractérisée morphologiquement par quatre membranes dérivées de l’enveloppe nucléaire interne et externe. Peu de choses ont été rapportées sur cette nouvelle voie autophagique qui peut être un mécanisme de défense cellulaire quand l’autophagie classique dans le cytosol est inhibée par HSV-1. Il devient donc intéressant de caractériser les molécules impliquées dans la formation de ces autophagosomes issus du noyau par spectrométrie de masse. Pour ce faire, il était impératif d’établir un outil d’isolation des noyaux à partir de macrophages infectés par HSV-1 dans lesquels les autophagosomes issus des noyaux seront formés. La validation de cette méthode d’isolation a été effectuée en déterminant la pureté et l’intégrité des noyaux isolés à partir des cellules non infectées (contrôle) et infectées par HSV-1. La pureté des préparations de noyaux isolés a été caractérisée par l’absence de contaminants cellulaires et un enrichissement en noyaux. Également, il a fallu déterminer la cinétique de formation des autophagosomes issus des noyaux pour les deux lignées cellulaires de macrophages utilisées dans ce projet. Dans une perspective future, l’analyse protéomique à partir des échantillons purs des noyaux isolés (non infectés et infectés) mènera à identifier les protéines impliquées dans la formation des autophagosomes dérivés des noyaux, ce qui permettra ultérieurement d’effectuer des études sur les mécanismes moléculaires et les fonctions de cette nouvelle voie autophagique.

Molecular characterization of the contribution of autophagy to antigen presentation using quantitative proteomics

L’autophagie est une voie hautement conservée de dégradation lysosomale des constituants cellulaires qui est essentiel à l’homéostasie cellulaire et contribue à l’apprêtement et à la présentation des antigènes. Les rôles relativement récents de l'autophagie dans l'immunité innée et acquise sous-tendent de nouveaux paradigmes immunologiques pouvant faciliter le développement de nouvelles thérapies où la dérégulation de l’autophagie est associée à des maladies auto-immunes. Cependant, l'étude in vivo de la réponse autophagique est difficile en raison du nombre limité de méthodes d'analyse pouvant fournir une définition dynamique des protéines clés impliquées dans cette voie. En conséquence, nous avons développé un programme de recherche en protéomique intégrée afin d’identifier et de quantifier les proteines associées à l'autophagie et de déterminer les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l’autophagosome dans la présentation antigénique en utilisant une approche de biologie des systèmes. Pour étudier comment l'autophagie et la présentation antigénique sont activement régulés dans les macrophages, nous avons d'abord procédé à une étude protéomique à grande échelle sous différentes conditions connues pour stimuler l'autophagie, tels l’activation par les cytokines et l’infection virale. La cytokine tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha) est l'une des principales cytokines pro-inflammatoires qui intervient dans les réactions locales et systémiques afin de développer une réponse immune adaptative. La protéomique quantitative d'extraits membranaires de macrophages contrôles et stimulés avec le TNF-alpha a révélé que l'activation des macrophages a entrainé la dégradation de protéines mitochondriales et des changements d’abondance de plusieurs protéines impliquées dans le trafic vésiculaire et la réponse immunitaire. Nous avons constaté que la dégradation des protéines mitochondriales était sous le contrôle de la voie ATG5, et était spécifique au TNF-alpha. En outre, l’utilisation d’un nouveau système de présentation antigènique, nous a permi de constater que l'induction de la mitophagie par le TNF-alpha a entrainée l’apprêtement et la présentation d’antigènes mitochondriaux par des molécules du CMH de classe I, contribuant ainsi la variation du répertoire immunopeptidomique à la surface cellulaire. Ces résultats mettent en évidence un rôle insoupçonné du TNF-alpha dans la mitophagie et permet une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la présentation d’auto-antigènes par les molécules du CMH de classe I. Une interaction complexe existe également entre infection virale et l'autophagie. Récemment, notre laboratoire a fourni une première preuve suggérant que la macroautophagie peut contribuer à la présentation de protéines virales par les molécules du CMH de classe I lors de l’infection virale par l'herpès simplex virus de type 1 (HSV-1). Le virus HSV1 fait parti des virus humains les plus complexes et les plus répandues. Bien que la composition des particules virales a été étudiée précédemment, on connaît moins bien l'expression de l'ensemble du protéome viral lors de l’infection des cellules hôtes. Afin de caractériser les changements dynamiques de l’expression des protéines virales lors de l’infection, nous avons analysé par LC-MS/MS le protéome du HSV1 dans les macrophages infectés. Ces analyses nous ont permis d’identifier un total de 67 protéines virales structurales et non structurales (82% du protéome HSV1) en utilisant le spectromètre de masse LTQ-Orbitrap. Nous avons également identifié 90 nouveaux sites de phosphorylation et de dix nouveaux sites d’ubiquitylation sur différentes protéines virales. Suite à l’ubiquitylation, les protéines virales peuvent se localiser au noyau ou participer à des événements de fusion avec la membrane nucléaire, suggérant ainsi que cette modification pourrait influer le trafic vésiculaire des protéines virales. Le traitement avec des inhibiteurs de la réplication de l'ADN induit des changements sur l'abondance et la modification des protéines virales, mettant en évidence l'interdépendance des protéines virales au cours du cycle de vie du virus. Compte tenu de l'importance de la dynamique d'expression, de l’ubiquitylation et la phosphorylation sur la fonction des proteines virales, ces résultats ouvriront la voie vers de nouvelles études sur la biologie des virus de l'herpès. Fait intéressant, l'infection HSV1 dans les macrophages déclenche une nouvelle forme d'autophagie qui diffère remarquablement de la macroautophagie. Ce processus, appelé autophagie associée à l’enveloppe nucléaire (nuclear envelope derived autophagy, NEDA), conduit à la formation de vésicules membranaires contenant 4 couches lipidiques provenant de l'enveloppe nucléaire où on retrouve une grande proportion de certaines protéines virales, telle la glycoprotéine B. Les mécanismes régissant NEDA et leur importance lors de l’infection virale sont encore méconnus. En utilisant un essai de présentation antigénique, nous avons pu montrer que la voie NEDA est indépendante d’ATG5 et participe à l’apprêtement et la présentation d’antigènes viraux par le CMH de classe I. Pour comprendre l'implication de NEDA dans la présentation des antigènes, il est essentiel de caractériser le protéome des autophagosomes isolés à partir de macrophages infectés par HSV1. Aussi, nous avons développé une nouvelle approche de fractionnement basé sur l’isolation de lysosomes chargés de billes de latex, nous permettant ainsi d’obtenir des extraits cellulaires enrichis en autophagosomes. Le transfert des antigènes HSV1 dans les autophagosomes a été determine par protéomique quantitative. Les protéines provenant de l’enveloppe nucléaire ont été préférentiellement transférées dans les autophagosome lors de l'infection des macrophages par le HSV1. Les analyses protéomiques d’autophagosomes impliquant NEDA ou la macroautophagie ont permis de decouvrir des mécanismes jouant un rôle clé dans l’immunodominance de la glycoprotéine B lors de l'infection HSV1. Ces analyses ont également révélées que diverses voies autophagiques peuvent être induites pour favoriser la capture sélective de protéines virales, façonnant de façon dynamique la nature de la réponse immunitaire lors d'une infection. En conclusion, l'application des méthodes de protéomique quantitative a joué un rôle clé dans l'identification et la quantification des protéines ayant des rôles importants dans la régulation de l'autophagie chez les macrophages, et nous a permis d'identifier les changements qui se produisent lors de la formation des autophagosomes lors de maladies inflammatoires ou d’infection virale. En outre, notre approche de biologie des systèmes, qui combine la protéomique quantitative basée sur la spectrométrie de masse avec des essais fonctionnels tels la présentation antigénique, nous a permis d’acquérir de nouvelles connaissances sur les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l'autophagie lors de la présentation antigénique. Une meilleure compréhension de ces mécanismes permettra de réduire les effets nuisibles de l'immunodominance suite à l'infection virale ou lors du développement du cancer en mettant en place une réponse immunitaire appropriée.