Statistical modeling of protein lysate array data

The protein lysate array is an emerging technology for quantifying the protein concentration ratios in multiple biological samples. It is gaining popularity, and has the potential to answer questions about post-translational modifications and protein pathway relationships. Statistical inference for a parametric quantification procedure has been inadequately addressed in the literature, mainly due to two challenges: the increasing dimension of the parameter space and the need to account for dependence in the data. Each chapter of this thesis addresses one of these issues. In Chapter 1, an introduction to the protein lysate array quantification is presented, followed by the motivations and goals for this thesis work. In Chapter 2, we develop a multi-step procedure for the Sigmoidal models, ensuring consistent estimation of the concentration level with full asymptotic efficiency. The results obtained in this chapter justify inferential procedures based on large-sample approximations. Simulation studies and real data analysis are used to illustrate the performance of the proposed method in finite-samples. The multi-step procedure is simpler in both theory and computation than the single-step least squares method that has been used in current practice. In Chapter 3, we introduce a new model to account for the dependence structure of the errors by a nonlinear mixed effects model. We consider a method to approximate the maximum likelihood estimator of all the parameters. Using the simulation studies on various error structures, we show that for data with non-i.i.d. errors the proposed method leads to more accurate estimates and better confidence intervals than the existing single-step least squares method.

The cellular and mechanistic study of nisin inhibition of bacillus anthracis spore outgrowth, nisin alteration of infection, and native producer immunity

A critical step during Bacillus anthracis infection is the outgrowth of germinated spores into vegetative bacilli that proliferate and disseminate rapidly within the host. An important challenge exists for developing chemotherapeutic agents that act upon and kill B. anthracis immediately after germination initiation when antibiotic resistance is lost, but prior to the outgrowth into vegetative bacilli, which is accompanied by toxin production. Chemical agents must also function in a manner refractive to the development of antimicrobial resistance. In this thesis we have identified the lantibiotics as a class of chemotherapeutics that are predicted to satisfy these two criteria. The objective of this thesis was to evaluate the efficacy of nisin, a prototypical lantibiotic, in prevention of outgrowth of germinated B. anthracis spores. Like all lantibiotics, nisin is a ribosomally translated peptide that undergoes post-translational modification to form (methyl)lanthionine rings that are critical for antimicrobial activity. Our studies indicate that nisin rapidly inhibits the in vitro outgrowth of germinated B. anthracis Sterne 7702 spores. Although germination initiation was shown to be essential for nisin-dependent antimicrobial activity, nisin did not inhibit or promote germination initiation. Nisin irreversibly killed germinated spores by blocking the establishment of a membrane potential and oxidative metabolism, while not affecting the dissolution of the outer spore structures. The membrane permeability of the spore was increased by nisin, but germinated spores did not undergo full lysis. Nisin was demonstrated to localize to lipid II, which is the penultimate precursor for cell wall biogenesis. This localization suggests two possible independent mechanisms of action, membrane pore formation and inhibition of peptidoglycan synthesis. Structure-activity studies with a truncated form of nisin lacking the two C-terminal (methyl)lanthionine rings and with non-pore forming mutants indicated that membrane disruption is essential for nisin-dependent inhibition of spore outgrowth to prevent membrane potential establishment. Finally, utilizing an in vitro infection model, it was shown that nisin reduced the viability of B. anthracis spores within an infection resulting in increased survival of immune cells while reducing infection-mediated cytokine expression. Fluorescence microscopy indicated that nisin localizes with spores within phagosomes of peritioneal macrophages in germinating conditions. These data demonstrate the effectiveness of nisin, as a model lantibiotic, for preventing spore outgrowth. It is speculated that nisin targeting of lipid II, resulting in membrane perturbations, may be effective at inhibiting the outgrowth of spores prepared from bacteria across a number of species.

Phospholipases and the network of auxin signal transduction with ABP1 and TIR1 as two receptors: a comprehensive and provocative model

Three types of phospholipases, phospholipase D, secreted phospholipase A2, and patatin-related phospholipase A (pPLA) have functions in auxin signal transduction. Potential linkage to auxin receptors ABP1 or TIR1, their rapid activation or post-translational activation mechanisms, and downstream functions regulated by these phospholipases is reviewed and discussed. Only for pPLA all aspects are known at least to some detail. Evidence is gathered that all these signal reactions are located in the cytosol and seem to merge on regulation of PIN-catalyzed auxin efflux transport proteins. As a consequence, auxin concentration in the nucleus is also affected and this regulates the E3 activity of this auxin receptor. We showed that ABP1, PIN2, and pPLA, all outside the nucleus, have an impact on regulation of auxin-induced genes within 30 min. We propose that regulation of PIN protein activities and of auxin efflux transport are the means to coordinate ABP1 and TIR1 activity and that no physical contact between components of the ABP1-triggered cytosolic pathways and TIR1-triggered nuclear pathways of signaling is necessary to perform this.

Influência do estímulo por PAF no perfil de abundância proteica em neutrófilos : uma abordagem proteômica

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Departamento de Biologia Celular, Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2015.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Étude fonctionnelle d’un nouveau complexe multi-enzymatique régulant l’épigénome

L’ubiquitination, une modification post-traductionnelle importante pour le contrôle de nombreux processus cellulaires, est une réaction réversible. La réaction inverse, nommée déubiquitination est catalysée par les déubiquitinases (DUB). Nous nous sommes intéressés dans nos travaux à étudier l’ubiquitination de l’histone H2A (H2Aub), au niveau des résidus lysines 118 et 119 (K118/K119), une marque épigénétique impliquée dans la régulation de la prolifération cellulaire et la réparation de l’ADN. Le régulateur transcriptionnel BAP1, une déubiquitinase nucléaire, a été initialement identifié pour sa capacité à promouvoir la fonction suppressive de tumeurs de BRCA1. BAP1 forme un complexe multi-protéique avec plusieurs facteurs transcriptionnels et sa fonction principale est la déubiquitination de H2Aub. Plusieurs études ont démontré que BAP1 est un gène suppresseur de tumeurs majeur et qu’il est largement muté et inactivé dans une multitude de cancers. En effet, BAP1 émerge comme étant la DUB la plus mutée au niveau des cancers. Cependant, le ou les mécanismes d’action et de régulation du complexe BAP1 restent très peu connus. Dans cette étude nous nous sommes intéressés à la caractérisation moléculaire et fonctionnelle des partenaires protéiques de BAP1. De manière significative nous avons caractérisé un mécanisme unique de régulation entre deux composants majeurs du complexe BAP1 à savoir, HCF-1 et OGT. En effet, nous avons démontré que HCF-1 est requis pour maintenir le niveau protéique de OGT et que cette dernière est indispensable pour la maturation protéolytique de HCF-1 en promouvant son clivage par O-GlcNAcylation, une signalisation cellulaire nécessaire au bon fonctionnement de HCF-1. Également, nous avons découvert un nouveau mécanisme de régulation de BAP1 par l’ubiquitine ligase atypique UBE2O. En effet, UBE2O agit comme un régulateur négatif de BAP1 puisque l’ubiquitination de ce dernier induit sa séquestration dans le cytoplasme et l’inhibition de sa fonction suppressive de tumeurs. D’autre part nous nous sommes penchés sur la caractérisation de l’association de BAP1 avec deux facteurs de la famille des protéines Polycombes nommés ASXL1 et ASXL2 (ASXL1/2). Nous avons investigué le rôle de BAP1/ASXL1/2, particulièrement dans les mécanismes de déubiquitination et suppression de tumeurs. Nous avons démontré que BAP1 interagit directement iii via son domaine C-terminale avec le même domaine ASXM de ASXL1/2 formant ainsi deux complexes mutuellement exclusifs indispensables pour induire l’activité déubiquitinase de BAP1. De manière significative, ASXM s’associe avec BAP1 pour créer un nouveau domaine composite de liaison à l’ubiquitine. Ces interactions BAP1/ASXL1/2 régulent la progression harmonieuse du cycle cellulaire. De plus, la surexpression de BAP1 et de ASXL2 au niveau des fibroblastes induit la sénescence de manière dépendante de leurs interactions. D’autre part, nous avons identifié des mutations de cancers au niveau de BAP1 le rendant incapable de lier ASXL1/2, d’exercer sa fonction d’autodéubiquitination et de ce fait d’agir comme suppresseur de tumeurs. Ainsi nous avons révélé un lien étroit entre le gène suppresseur de tumeurs BAP1, son activité déubiquitinase et le contrôle de la prolifération cellulaire.

Investigating the Role of O-GlcNAc Glycosylation in Neurodegeneration

O-GlcNAc glycosylation of nuclear and cytosolic proteins is an essential post-translational modification implicated in many diseases, from cancer to diabetes. Importantly, many important neuronal proteins are also O-GlcNAc modified, and aberrant O-GlcNAcylation of these proteins may contribute to the pathology of neurodegenerative diseases although these mechanisms have not been well defined. Here we investigated the role of O-GlcNAc glycosylation in the brain, utilizing both chemistry and molecular biology to study O-GlcNAc transferase (OGT), the enzyme that adds the sugar modification. To evaluate the role of OGT in adult neurons, we generated a forebrain-specific conditional knockout of OGT (OGT cKO) in mice. Although indistinguishable from wild-type littermates at birth, after three weeks we observe progressive neurodegeneration in OGT cKO mice. Hallmarks of Alzheimer’s disease, including neuronal loss, neuroinflammation, behavioral deficits, hyperphosphorylated tau, and amyloid beta peptide accumulation, are observed. Furthermore, decreases in OGT protein levels were found in human AD brain tissue, suggesting that altered O-GlcNAcylation likely contributes to neurodegenerative diseases in humans. This model is one of a few mouse models that recapitulate AD phenotypes without mutating and overexpressing human tau, amyloid precursor protein, or presenilin, highlighting the essential role of OGT in neurodegenerative pathways.

Given the importance of OGT in the brain, we further investigated the regulation of the OGT enzyme by phosphorylation. We found that phosphorylation of OGT near its C-terminus reduces its activity in cancer cells, and have developed phosphorylation-specific antibodies to aid mechanistic studies. Furthermore, mutation of this phosphorylation site on OGT, followed by overexpression in neurons was shown to enhance neurite outgrowth, demonstrating a functional consequence for this site. Thus phosphorylation of OGT inhibits its activity and enhances neurite outgrowth, and current studies aim to characterize the signaling pathway that regulates OGT phosphorylation in neurons.

Past, present and future of epigenetics applied to livestock breeding

This article reviews the concept of Lamarckian inheritance and the use of the term epigenetics in the field of animal genetics. Epigenetics was first coined by Conrad Hal Waddington (1905–1975), who derived the term from the Aristotelian word epigenesis. There exists some controversy around the word epigenetics and its broad definition. It includes any modification of the expression of genes due to factors other than mutation in the DNA sequence. This involves DNA methylation, post-translational modification of histones, but also linked to regulation of gene expression by non-coding RNAs, genome instabilities or any other force that could modify a phenotype. There is little evidence of the existence of transgenerational epigenetic inheritance in mammals, which may commonly be confounded with environmental forces acting simultaneously on an individual, her developing fetus and the germ cell lines of the latter, although it could have an important role in the cellular energetic status of cells. Finally, we review some of the scarce literature on the use of epigenetics in animal breeding programs.

L'acide valproïque inhibe la progression dans le cycle cellulaire chez Saccharomyces cerevisiae

L’acétylation est une modification post-traductionnelle des protéines essentielles. Elle est impliquée dans bon nombre de processus cellulaires importants comme la régulation de la structure de la chromatine et le recrutement de protéines. Deux groupes d’enzymes, soient les lysines acétyltransférases et les lysines désacétylases, régulent cette modification, autant sur les histones que sur les autres protéines. Au cours des dernières années, de petites molécules inhibitrices des désacétylases ont été découvertes. Certaines d’entre elles semblent prometteuses contre diverses maladies telles le cancer. L’acide valproïque, un inhibiteur de deux des trois classes des désacétylases, a un effet antiprolifératif chez plusieurs organismes modèles. Toutefois, les mécanismes cellulaires sous-jacents à cet effet restent encore méconnus. Ce mémoire met en lumière l’effet pH dépendant de l’acide valproïque sur différentes voies cellulaires importantes chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Il démontre que ce composé a la capacité d’inhiber la transition entre les phases G1 et S par son action sur l’expression des cyclines de la phase G1. De plus, il inhibe l’activation de la kinase principale de la voie activée suite à un stress à la paroi cellulaire. L’acide valproïque occasionne également un arrêt dans la réplication de l’ADN sans y causer de dommage. Il s’agit là d’un effet unique qui, à notre connaissance, n’est pas observable avec d’autres agents qui inhibent la progression en phase S.

Site Specifc Growth of Metal Catalyzed Silica Nanowires for Biological and Chemical Sensing

In this research the integration of nanostructures and micro-scale devices was investigated using silica nanowires to develop a simple yet robust nanomanufacturing technique for improving the detection parameters of chemical and biological sensors. This has been achieved with the use of a dielectric barrier layer, to restrict nanowire growth to site-specific locations which has removed the need for post growth processing, by making it possible to place nanostructures on pre-pattern substrates. Nanowires were synthesized using the Vapor-Liquid-Solid growth method. Process parameters (temperature and time) and manufacturing aspects (structural integrity and biocompatibility) were investigated. Silica nanowires were observed experimentally to determine how their physical and chemical properties could be tuned for integration into existing sensing structures. Growth kinetic experiments performed using gold and palladium catalysts at 1050 ˚C for 60 minutes in an open-tube furnace yielded dense and consistent silica nanowire growth. This consistent growth led to the development of growth model fitting, through use of the Maximum Likelihood Estimation (MLE) and Bayesian hierarchical modeling. Transmission electron microscopy studies revealed the nanowires to be amorphous and X-ray diffraction confirmed the composition to be SiO2 . Silica nanowires were monitored in epithelial breast cancer media using Impedance spectroscopy, to test biocompatibility, due to potential in vivo use as a diagnostic aid. It was found that palladium catalyzed silica nanowires were toxic to breast cancer cells, however, nanowires were inert at 1µg/mL concentrations. Additionally a method for direct nanowire integration was developed that allowed for silica nanowires to be grown directly into interdigitated sensing structures. This technique eliminates the need for physical nanowire transfer thus preserving nanowire structure and performance integrity and further reduces fabrication cost. Successful nanowire integration was physically verified using Scanning electron microscopy and confirmed electrically using Electrochemical Impedance Spectroscopy of immobilized Prostate Specific Antigens (PSA). The experiments performed above serve as a guideline to addressing the metallurgic challenges in nanoscale integration of materials with varying composition and to understanding the effects of nanomaterials on biological structures that come in contact with the human body.

L'acide valproïque inhibe la progression dans le cycle cellulaire chez Saccharomyces cerevisiae

L’acétylation est une modification post-traductionnelle des protéines essentielles. Elle est impliquée dans bon nombre de processus cellulaires importants comme la régulation de la structure de la chromatine et le recrutement de protéines. Deux groupes d’enzymes, soient les lysines acétyltransférases et les lysines désacétylases, régulent cette modification, autant sur les histones que sur les autres protéines. Au cours des dernières années, de petites molécules inhibitrices des désacétylases ont été découvertes. Certaines d’entre elles semblent prometteuses contre diverses maladies telles le cancer. L’acide valproïque, un inhibiteur de deux des trois classes des désacétylases, a un effet antiprolifératif chez plusieurs organismes modèles. Toutefois, les mécanismes cellulaires sous-jacents à cet effet restent encore méconnus. Ce mémoire met en lumière l’effet pH dépendant de l’acide valproïque sur différentes voies cellulaires importantes chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Il démontre que ce composé a la capacité d’inhiber la transition entre les phases G1 et S par son action sur l’expression des cyclines de la phase G1. De plus, il inhibe l’activation de la kinase principale de la voie activée suite à un stress à la paroi cellulaire. L’acide valproïque occasionne également un arrêt dans la réplication de l’ADN sans y causer de dommage. Il s’agit là d’un effet unique qui, à notre connaissance, n’est pas observable avec d’autres agents qui inhibent la progression en phase S.

Japanese plums (Prunus salicina Lindl.) and phytochemicals – breeding, horticultural practice, post-harvest storage, processing and bioactivity

Previous reviews of plum phytochemical content and health benefits have concentrated on the European plum, Prunus domestica L.. However, the potential bioactivity of red and dark red fleshed Japanese plum, Prunus salicina Lindl., so called blood plums, appears to warrant a significant increase in exposure as indicated in a recent review of the whole Prunus genus. Furthermore, Japanese plums are the predominate plum produced on an international basis. In this review the nutrient and phytochemical content, breeding programs, horticultural practice, post harvest treatment and processing as well as bioactivity (emphasizing in vivo studies) of Japanese plum are considered with a focus on the anthocyanin content that distinguishes the blood plums.

Resolving Ambiguities in Confused Online Tamil Characters with Post Processing Algorithms

This paper addresses the problem of resolving ambiguities in frequently confused online Tamil character pairs by employing script specific algorithms as a post classification step. Robust structural cues and temporal information of the preprocessed character are extensively utilized in the design of these algorithms. The methods are quite robust in automatically extracting the discriminative sub-strokes of confused characters for further analysis. Experimental validation on the IWFHR Database indicates error rates of less than 3 % for the confused characters. Thus, these post processing steps have a good potential to improve the performance of online Tamil handwritten character recognition.

Efficient post-processing techniques for speech enhancement

We address the problem of speech enhancement in real-world noisy scenarios. We propose to solve the problem in two stages, the first comprising a generalized spectral subtraction technique, followed by a sequence of perceptually-motivated post-processing algorithms. The role of the post-processing algorithms is to compensate for the effects of noise as well as to suppress any artifacts created by the first-stage processing. The key post-processing mechanisms are aimed at suppressing musical noise and to enhance the formant structure of voiced speech as well as to denoise the linear-prediction residual. The parameter values in the techniques are fixed optimally by experimentally evaluating the enhancement performance as a function of the parameters. We used the Carnegie-Mellon university Arctic database for our experiments. We considered three real-world noise types: fan noise, car noise, and motorbike noise. The enhancement performance was evaluated by conducting listening experiments on 12 subjects. The listeners reported a clear improvement (MOS improvement of 0.5 on an average) over the noisy signal in the perceived quality (increase in the mean-opinion score (MOS)) for positive signal-to-noise-ratios (SNRs). For negative SNRs, however, the improvement was found to be marginal.