Molecular Mechanism of the Response to Hydrogen Sulfide in C. elegans

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Identification of Genes Modulating Mitochondrial Biogenesis in Caenorhabditis elegans

Since Altmann recognized ubiquitously distributed "bioblasts" in 1890, understanding of mitochondria has evolved from "elementary organisms" living inside cells and carrying out vital functions, over the Harman's "free radical theory" in 1956, to one of the driving forces of aging and cause of multiple associated diseases impacting society today. While a tremendous amount of work has contributed to the understanding of mitochondrial biology in different model organisms, the precise molecular mechanisms of basic mitochondrial function have yet to be deciphered. By employing an RNA interference mediated screen in Caenorhabditis elegans, we identified two transcription factors: SPTF-3, a member of Sp1 family, and an uncharacterized, nematode specific W04D2.4. We propose that both proteins modulate expression of many genes with regard to mitochondrial function including mitochondrial single-stranded binding protein encoded by mtss-1, whose promoter was used as transcriptional reporter in the screen. Further, RNA sequencing data indicate that W04D2.4 indirectly regulates expression of mitochondrial DNA via control of genes functionally related to mitochondrial replication and translation machineries. We also demonstrate that from all interventions targeting cytosolic translation, MTSS-1 levels are elevated only upon knockdown of genes encoding cytosolic ribosomal proteins. Reduction of ribosomes leads to increased sptf-3 translation, most likely in an internal ribosome entry side (IRES) mediated manner, eventually inducing mtss-1 expression. Moreover, we identify a novel role for SPTF-3 in the regulation of mitochondrial unfolded stress response (UPRmt) activation, but not endoplasmatic reticulum or oxidative stress responses. Taken together, this study identifies two transcription factors previously not associated with mitochondrial biogenesis and UPRmt in C. elegans, establishing a basis for further investigation of mito-nuclear interactions.

DE NATURA RERUM. Scripta in honorem professoris Olli Koistinen sexagesimum annum complentis

Tämän kirjan kirjoitukset on omistettu professori Olli Koistiselle hänen 60-vuotissyntymäpäivänään 11.5.2016. Kirjoittajat ovat professori Koistisen kollegoita, työtovereita, väitöskirjaohjattavia ja opiskelijoita, entisiä tai nykyisiä. Kirjoituksista osa on suomeksi, osa englanniksi. Siksi päätimme antaa kirjalle latinankielisen nimen. De natura rerum viittaa moneen, mukaan lukien samannimiset vanhat luonnonfilosofiset tekstit, joista varmaankin kuuluisin, Lucretiuksen De rerum natura, on käännetty suomeksi Maailmankaikkeudesta. Sikäli kuin yhtään professori Koistista tunnemme, tämä, yhtä hyvin kuin Lucretiuksen teoksen mahdollinen kirjaimellisempi käännös Asioiden luonnosta, kuvaisi hyvin hänen filosofiakäsitystään. Filosofiassa tutkitaan ihan oikeita, isoja asioita. Filosofi kysyy, millaisia erilaiset oliot ja ilmiöt ovat luonteeltaan – mikä on asioiden luonto. Kirjan kirjoituksissa tarkastelun kohteena on muun muassa muutos, kausaliteetti, hyvä elämä, tekstien tulkitseminen, inhimillinen toiminta, tunteet, ajattelu, tietoisuus, aika, todellisuus ja maailma. Kuten sopii odottaa, useissa kirjoituksissa viitataan filosofian klassikoihin, varsinkin Descartesiin, Spinozaan ja Kantiin, jotka ovat olleet Ollin omia rakkaita tutkimuskohteita. Klassikkoteksteihin viitataan filosofian historian tutkimuksessa vakiintuneiden käytäntöjen mukaisesti. Tarkempia selityksiä löytyy kirjoitusten alaviitteistä ja kirjallisuusluetteloista.

Genetic Suppressors of mrp-5 Lethality in C. elegans

Heme is an essential cofactor in numerous proteins, but is also cytotoxic. Thus, directed pathways must exist for regulating heme homeostasis. C. elegans is a powerful genetic animal model for elucidating these pathways because it is a heme auxotroph. Worms acquire dietary heme though HRG-1-related importers, and intestinal export was demonstrated to be mediated by the ABC transporter MRP-5. Loss of mrp-5 results in embryonic lethality. Although heme transporters have been identified, there are significant gaps in our understanding for the heme trafficking beyond HRG-1 and MRP-5. To identify additional components, we conducted a forward genetic screen utilizing the null allele mrp-5(ok2067). Screening of 160,000 haploid genomes yielded thirty-two mrp-5(ok2067) suppressor mutants. Deep-sequencing variant analysis revealed three of the suppressors subunits of adapter protein complex 3 (AP-3). We now seek to identify mechanisms for how adaptor protein deficiencies bypass a defect in MRP-5-mediated heme export.

Estudio de la patogenicidad de Candida y de la actividad de los fármacos antifúngicos en un modelo animal en Caenorhabditis elegans

171 p.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

L’exploitation d’un modèle de levure présentant une déficience de l’absorption des anthracyclines révèle qu’une protéine de Caenorhabditis elegans, OCT-1, est un transporteur fonctionnel d’anthracyclines

Les anthracyclines, comme la doxorubicine (DOX) ou la daunorubicine (DNR), sont utilisées dans le traitement d’une grande variété de cancers allant des lymphomes, au cancer du sein, en passant par certaines leucémies. Encore aujourd’hui, beaucoup pensent que les anthracyclines entrent dans les cellules par diffusion passive, toutefois, la plupart de ces mêmes personnes sont d’accord pour dire que la p-glycoprotéine est responsable d’exporter ces molécules hors de la cellule. Mais pourquoi une molécule aurait besoin d’un transporteur pour sortir de la cellule, et pas pour y entrer ? Qu’est-ce qui ferait que la diffusion passive fonctionnerait dans un sens, mais pas dans l’autre, d’autant que l’entrée des anthracyclines dans les cellules est très rapide ? Nous pensons qu’il existe bel et bien un transporteur responsable de faire passer les anthracyclines du milieu extracellulaire au cytoplasme, et nous voulons développer un modèle de levure qui permettrait de déterminer si une protéine, un transporteur, issue d’un autre organisme eucaryote est en mesure de transporter la DOX à l’intérieur de la cellule. Pour ce faire, nous avons rassemblé un groupe de mutants présentant une déficience dans l’absorption d’autres molécules chargées positivement telles que la bléomycine ou le NaD1 et avons déterminé le taux d’absorption de DOX de chacun de ces mutants. Les simples mutants sam3Δ ou dur3Δ n’ont montré qu’une faible réduction de l’absorption de DOX, voire, aucune, par rapport à la souche parentale. Si le double mutant sam3Δdur3Δ a montré une réduction relativement importante de l’absorption de DOX, c’est le mutant agp2Δ qui présentait la plus grande réduction d’absorption de DOX, ainsi qu’une résistance notable à son effet létal. Nous avons utilisé, par la suite, ce mutant pour exprimer, à l’aide d’un vecteur d’expression, une protéine du ver Caenorhabditis elegans, OCT-1 (CeOCT-1). Les résultats ont montré que cette protéine était en mesure de restaurer l’absorption de DOX, compromise chez le mutant agp2Δ ainsi que d’augmenter la sensibilité de la souche parentale à son effet létal, lorsqu’exprimée chez celle-ci. Cela suggère que CeOCT-1 est un transporteur fonctionnel de DOX et contredit également le dogme selon lequel les anthracyclines entrent dans les cellules par diffusion passive.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

L’exploitation d’un modèle de levure présentant une déficience de l’absorption des anthracyclines révèle qu’une protéine de Caenorhabditis elegans, OCT-1, est un transporteur fonctionnel d’anthracyclines

Les anthracyclines, comme la doxorubicine (DOX) ou la daunorubicine (DNR), sont utilisées dans le traitement d’une grande variété de cancers allant des lymphomes, au cancer du sein, en passant par certaines leucémies. Encore aujourd’hui, beaucoup pensent que les anthracyclines entrent dans les cellules par diffusion passive, toutefois, la plupart de ces mêmes personnes sont d’accord pour dire que la p-glycoprotéine est responsable d’exporter ces molécules hors de la cellule. Mais pourquoi une molécule aurait besoin d’un transporteur pour sortir de la cellule, et pas pour y entrer ? Qu’est-ce qui ferait que la diffusion passive fonctionnerait dans un sens, mais pas dans l’autre, d’autant que l’entrée des anthracyclines dans les cellules est très rapide ? Nous pensons qu’il existe bel et bien un transporteur responsable de faire passer les anthracyclines du milieu extracellulaire au cytoplasme, et nous voulons développer un modèle de levure qui permettrait de déterminer si une protéine, un transporteur, issue d’un autre organisme eucaryote est en mesure de transporter la DOX à l’intérieur de la cellule. Pour ce faire, nous avons rassemblé un groupe de mutants présentant une déficience dans l’absorption d’autres molécules chargées positivement telles que la bléomycine ou le NaD1 et avons déterminé le taux d’absorption de DOX de chacun de ces mutants. Les simples mutants sam3Δ ou dur3Δ n’ont montré qu’une faible réduction de l’absorption de DOX, voire, aucune, par rapport à la souche parentale. Si le double mutant sam3Δdur3Δ a montré une réduction relativement importante de l’absorption de DOX, c’est le mutant agp2Δ qui présentait la plus grande réduction d’absorption de DOX, ainsi qu’une résistance notable à son effet létal. Nous avons utilisé, par la suite, ce mutant pour exprimer, à l’aide d’un vecteur d’expression, une protéine du ver Caenorhabditis elegans, OCT-1 (CeOCT-1). Les résultats ont montré que cette protéine était en mesure de restaurer l’absorption de DOX, compromise chez le mutant agp2Δ ainsi que d’augmenter la sensibilité de la souche parentale à son effet létal, lorsqu’exprimée chez celle-ci. Cela suggère que CeOCT-1 est un transporteur fonctionnel de DOX et contredit également le dogme selon lequel les anthracyclines entrent dans les cellules par diffusion passive.

Explosive Synchronization With Partial Degree-frequency Correlation.

Networks of Kuramoto oscillators with a positive correlation between the oscillators frequencies and the degree of their corresponding vertices exhibit so-called explosive synchronization behavior, which is now under intensive investigation. Here we study and discuss explosive synchronization in a situation that has not yet been considered, namely when only a part, typically a small part, of the vertices is subjected to a degree-frequency correlation. Our results show that in order to have explosive synchronization, it suffices to have degree-frequency correlations only for the hubs, the vertices with the highest degrees. Moreover, we show that a partial degree-frequency correlation does not only promotes but also allows explosive synchronization to happen in networks for which a full degree-frequency correlation would not allow it. We perform a mean-field analysis and our conclusions were corroborated by exhaustive numerical experiments for synthetic networks and also for the undirected and unweighed version of a typical benchmark biological network, namely the neural network of the worm Caenorhabditis elegans. The latter is an explicit example where partial degree-frequency correlation leads to explosive synchronization with hysteresis, in contrast with the fully correlated case, for which no explosive synchronization is observed.

Morpho-anatomical features of underground systems in six Asteraceae species from the Brazilian Cerrado

In the Brazilian Cerrado (neotropical savanna), the development of bud-bearing underground systems as adaptive structures to fire and dry periods can comprise an important source of buds for this ecosystem, as already demonstrated in the Brazilian Campos grasslands and North American prairies. Asteraceae species from both woody and herbaceous strata have subterranean organs that accumulate carbohydrates, reinforcing the adaptive strategy of these plants to different environmental conditions. This study aims to analyse the morpho-anatomy of underground systems of six species of Asteraceae (Mikania cordifolia L.f. Willd., Mikania sessilifolia DC, Trixis nobilis (Vell.) Katinas, Pterocaulon alopecuroides (Lam.) DC., Vernonia elegans Gardner and Vernonia megapotamica Spreng.), to describe these structures and to verify the occurrence and origin of shoot buds, and to analyse the presence of reserve substances. Individuals sampled in Cerrado areas in São Paulo State showed thick underground bud-bearing organs, with adventitious or lateral roots and presence of fructans. Xylopodium was found in all studied species, except for Trixis nobilis, which had stem tuber. The presence of fructans as reserve, and the capacity of structures in the formation of buds indicate the potential of herbaceous species of Asteraceae in forming a viable bud bank for vegetation regeneration in the Brazilian Cerrado.

Molecular phylogeny of advanced snakes (Serpentes, Caenophidia) with an emphasis on South American Xenodontines: a revised classification and descriptions of new taxa

We present a molecular phylogenetic analysis of caenophidian (advanced) snakes using sequences from two mitochondrial genes (12S and 16S rRNA) and one nuclear (c-mos) gene (1681 total base pairs), and with 131 terminal taxa sampled from throughout all major caenophidian lineages but focussing on Neotropical xenodontines. Direct optimization parsimony analysis resulted in a well-resolved phylogenetic tree, which corroborates some clades identified in previous analyses and suggests new hypotheses for the composition and relationships of others. The major salient points of our analysis are: (1) placement of Acrochordus, Xenodermatids, and Pareatids as successive outgroups to all remaining caenophidians (including viperids, elapids, atractaspidids, and all other "colubrid" groups); (2) within the latter group, viperids and homalopsids are sucessive sister clades to all remaining snakes; (3) the following monophyletic clades within crown group caenophidians: Afro-Asian psammophiids (including Mimophis from Madagascar), Elapidae (including hydrophiines but excluding Homoroselaps), Pseudoxyrhophiinae, Colubrinae, Natricinae, Dipsadinae, and Xenodontinae. Homoroselaps is associated with atractaspidids. Our analysis suggests some taxonomic changes within xenodontines, including new taxonomy for Alsophis elegans, Liophis amarali, and further taxonomic changes within Xenodontini and the West Indian radiation of xenodontines. Based on our molecular analysis, we present a revised classification for caenophidians and provide morphological diagnoses for many of the included clades; we also highlight groups where much more work is needed. We name as new two higher taxonomic clades within Caenophidia, one new subfamily within Dipsadidae, and, within Xenodontinae five new tribes, six new genera and two resurrected genera. We synonymize Xenoxybelis and Pseudablabes with Philodryas; Erythrolamprus with Liophis; and Lystrophis and Waglerophis with Xenodon.