A receptor-like kinase mutant with absent endodermal diffusion barrier displays selective nutrient homeostasis defects.

The endodermis represents the main barrier to extracellular diffusion in plant roots, and it is central to current models of plant nutrient uptake. Despite this, little is known about the genes setting up this endodermal barrier. In this study, we report the identification and characterization of a strong barrier mutant, schengen3 (sgn3). We observe a surprising ability of the mutant to maintain nutrient homeostasis, but demonstrate a major defect in maintaining sufficient levels of the macronutrient potassium. We show that SGN3/GASSHO1 is a receptor-like kinase that is necessary for localizing CASPARIAN STRIP DOMAIN PROTEINS (CASPs)--major players of endodermal differentiation--into an uninterrupted, ring-like domain. SGN3 appears to localize into a broader band, embedding growing CASP microdomains. The discovery of SGN3 strongly advances our ability to interrogate mechanisms of plant nutrient homeostasis and provides a novel actor for localized microdomain formation at the endodermal plasma membrane.

Dpp signaling activity requires Pentagone to scale with tissue size in the growing Drosophila wing imaginal disc.

The wing of the fruit fly, Drosophila melanogaster, with its simple, two-dimensional structure, is a model organ well suited for a systems biology approach. The wing arises from an epithelial sac referred to as the wing imaginal disc, which undergoes a phase of massive growth and concomitant patterning during larval stages. The Decapentaplegic (Dpp) morphogen plays a central role in wing formation with its ability to co-coordinately regulate patterning and growth. Here, we asked whether the Dpp signaling activity scales, i.e. expands proportionally, with the growing wing imaginal disc. Using new methods for spatial and temporal quantification of Dpp activity and its scaling properties, we found that the Dpp response scales with the size of the growing tissue. Notably, scaling is not perfect at all positions in the field and the scaling of target gene domains is ensured specifically where they define vein positions. We also found that the target gene domains are not defined at constant concentration thresholds of the downstream Dpp activity gradients P-Mad and Brinker. Most interestingly, Pentagone, an important secreted feedback regulator of the pathway, plays a central role in scaling and acts as an expander of the Dpp gradient during disc growth.

Simultaneous coexpression of memory-related and effector-related genes by individual human CD8 T cells depends on antigen specificity and differentiation.

Phenotypic and functional cell properties are usually analyzed at the level of defined cell populations but not single cells. Yet, large differences between individual cells may have important functional consequences. It is likely that T-cell-mediated immunity depends on the polyfunctionality of individual T cells, rather than the sum of functions of responding T-cell subpopulations. We performed highly sensitive single-cell gene expression profiling, allowing the direct ex vivo characterization of individual virus-specific and tumor-specific T cells from healthy donors and melanoma patients. We have previously shown that vaccination with the natural tumor peptide Melan-A-induced T cells with superior effector functions as compared with vaccination with the analog peptide optimized for enhanced HLA-A*0201 binding. Here we found that natural peptide vaccination induced tumor-reactive CD8 T cells with frequent coexpression of both memory/homing-associated genes (CD27, IL7R, EOMES, CXCR3, and CCR5) and effector-related genes (IFNG, KLRD1, PRF1, and GZMB), comparable with protective Epstein-Barr virus-specific and cytomegalovirus-specific T cells. In contrast, memory/homing-associated and effector-associated genes were less frequently coexpressed after vaccination with the analog peptide. Remarkably, these findings reveal a previously unknown level of gene expression diversity among vaccine-specific and virus-specific T cells with the simultaneous coexpression of multiple memory/homing-related and effector-related genes by the same cell. Such broad functional gene expression signatures within antigen-specific T cells may be critical for mounting efficient responses to pathogens or tumors. In summary, direct ex vivo high-resolution molecular characterization of individual T cells provides key insights into the processes shaping the functional properties of tumor-specific and virus-specific T cells.

Role of salt-inducible kinase 1 in the activation of MEF2-dependent transcription by BDNF.

Substantial evidence supports a role for myocyte enhancer factor 2 (MEF2)-mediated transcription in neuronal survival, differentiation and synaptic function. In developing neurons, it has been shown that MEF2-dependent transcription is regulated by neurotrophins. Despite these observations, little is known about the cellular mechanisms by which neurotrophins activate MEF2 transcriptional activity. In this study, we examined the role of salt-inducible kinase 1 (SIK1), a member of the AMP-activated protein kinase (AMPK) family, in the regulation of MEF2-mediated transcription by the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF). We show that BDNF increases the expression of SIK1 in primary cultures of rat cortical neurons through the extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2)-signaling pathway. In addition to inducing SIK1 expression, BDNF triggers the phosphorylation of SIK1 at Thr182 and its translocation from the cytoplasm to the nucleus of cortical neurons. The effects of BDNF on the expression, phosphorylation and, translocation of SIK1 are followed by the phosphorylation and nuclear export of histone deacetylase 5 (HDAC5). Blockade of SIK activity with a low concentration of staurosporine abolished BDNF-induced phosphorylation and nuclear export of HDAC5 in cortical neurons. Importantly, stimulation of HDAC5 phosphorylation and nuclear export by BDNF is accompanied by the activation of MEF2-mediated transcription, an effect that is suppressed by staurosporine. Consistent with these data, BDNF induces the expression of the MEF2 target genes Arc and Nur77, in a staurosporine-sensitive manner. In further support of the role of SIK1 in the regulation of MEF2-dependent transcription by BDNF, we found that expression of wild-type SIK1 or S577A SIK1, a mutated form of SIK1 which is retained in the nucleus of transfected cells, is sufficient to enhance MEF2 transcriptional activity in cortical neurons. Together, these data identify a previously unrecognized mechanism by which SIK1 mediates the activation of MEF2-dependent transcription by BDNF.

A mechanism for localized lignin deposition in the endodermis.

The precise localization of extracellular matrix and cell wall components is of critical importance for multicellular organisms. Lignin is a major cell wall modification that often forms intricate subcellular patterns that are central to cellular function. Yet the mechanisms of lignin polymerization and the subcellular precision of its formation remain enigmatic. Here, we show that the Casparian strip, a lignin-based, paracellular diffusion barrier in plants, forms as a precise, median ring by the concerted action of a specific, localized NADPH oxidase, brought into proximity of localized peroxidases through the action of Casparian strip domain proteins (CASPs). Our findings in Arabidopsis provide a simple mechanistic model of how plant cells regulate lignin formation with subcellular precision. We speculate that scaffolding of NADPH oxidases to the downstream targets of the reactive oxygen species (ROS) that they produce might be a widespread mechanism to ensure specificity and subcellular precision of ROS action within the extracellular matrix.

Crohn's disease-associated polymorphism within the PTPN2 gene affects muramyl-dipeptide-induced cytokine secretion and autophagy.

BACKGROUND: The single nucleotide polymorphism (SNP) rs2542151 within the gene locus region encoding protein tyrosine phosphatase non-receptor type 2 (PTPN2) has been associated with Crohn's disease (CD), ulcerative colitis (UC), type-I diabetes, and rheumatoid arthritis. We have previously shown that PTPN2 regulates mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling and cytokine secretion in human THP-1 monocytes and intestinal epithelial cells (IEC). Here, we studied whether intronic PTPN2 SNP rs1893217 regulates immune responses to the nucleotide-oligomerization domain 2 (NOD2) ligand, muramyl-dipeptide (MDP). MATERIALS AND METHODS: Genomic DNA samples from 343 CD and 663 non-IBD control patients (male and female) from a combined German, Swiss, and Polish cohort were genotyped for the presence of the PTPN2 SNPs, rs2542151, and rs1893217. PTPN2-variant rs1893217 was introduced into T(84) IEC or THP-1 cells using a lentiviral vector. RESULTS: We identified a novel association between the genetic variant, rs1893217, located in intron 7 of the PTPN2 gene and CD. Human THP-1 monocytes carrying this variant revealed increased MAPK activation as well as elevated mRNA expression of T-bet transcription factor and secretion of interferon-γ in response to the bacterial wall component, MDP. In contrast, secretion of interleukin-8 and tumor necrosis factor were reduced. In both, T(84) IEC and THP-1 monocytes, autophagosome formation was impaired. CONCLUSIONS: We identified a novel CD-associated PTPN2 variant that modulates innate immune responses to bacterial antigens. These findings not only provide key insights into the effects of a functional mutation on a clinically relevant gene, but also reveal how such a mutation could contribute to the onset of disease.

Specific targeting of pro-death NMDA receptor signals with differing reliance on the NR2B PDZ ligand.

NMDA receptors (NMDARs) mediate ischemic brain damage, for which interactions between the C termini of NR2 subunits and PDZ domain proteins within the NMDAR signaling complex (NSC) are emerging therapeutic targets. However, expression of NMDARs in a non-neuronal context, lacking many NSC components, can still induce cell death. Moreover, it is unclear whether targeting the NSC will impair NMDAR-dependent prosurvival and plasticity signaling. We show that the NMDAR can promote death signaling independently of the NR2 PDZ ligand, when expressed in non-neuronal cells lacking PSD-95 and neuronal nitric oxide synthase (nNOS), key PDZ proteins that mediate neuronal NMDAR excitotoxicity. However, in a non-neuronal context, the NMDAR promotes cell death solely via c-Jun N-terminal protein kinase (JNK), whereas NMDAR-dependent cortical neuronal death is promoted by both JNK and p38. NMDAR-dependent pro-death signaling via p38 relies on neuronal context, although death signaling by JNK, triggered by mitochondrial reactive oxygen species production, does not. NMDAR-dependent p38 activation in neurons is triggered by submembranous Ca(2+), and is disrupted by NOS inhibitors and also a peptide mimicking the NR2B PDZ ligand (TAT-NR2B9c). TAT-NR2B9c reduced excitotoxic neuronal death and p38-mediated ischemic damage, without impairing an NMDAR-dependent plasticity model or prosurvival signaling to CREB or Akt. TAT-NR2B9c did not inhibit JNK activation, and synergized with JNK inhibitors to ameliorate severe excitotoxic neuronal loss in vitro and ischemic cortical damage in vivo. Thus, NMDAR-activated signals comprise pro-death pathways with differing requirements for PDZ protein interactions. These signals are amenable to selective inhibition, while sparing synaptic plasticity and prosurvival signaling.

Microtubule-associated protein 6 mediates neuronal connectivity through Semaphorin 3E-dependent signalling for axonal growth.

Structural microtubule associated proteins (MAPs) stabilize microtubules, a property that was thought to be essential for development, maintenance and function of neuronal circuits. However, deletion of the structural MAPs in mice does not lead to major neurodevelopment defects. Here we demonstrate a role for MAP6 in brain wiring that is independent of microtubule binding. We find that MAP6 deletion disrupts brain connectivity and is associated with a lack of post-commissural fornix fibres. MAP6 contributes to fornix development by regulating axonal elongation induced by Semaphorin 3E. We show that MAP6 acts downstream of receptor activation through a mechanism that requires a proline-rich domain distinct from its microtubule-stabilizing domains. We also show that MAP6 directly binds to SH3 domain proteins known to be involved in neurite extension and semaphorin function. We conclude that MAP6 is critical to interface guidance molecules with intracellular signalling effectors during the development of cerebral axon tracts.

Role of an LRR receptor-like kinase in the establishment of a functional root endodermal barrier

The endodermis is a highly conserved cell layer present in the root of all vascular plants, except Lycophytes. This tissue layer establishes a protective diffusion barrier surrounding the vasculature and is expected to prevent passive, uncontrolled flow of nutrients through the root. This barrier property is achieved by the production of Casparian strips (CS), a localized cell wall impregnation of lignin in the anticlinal walls of each endodermal cell, forming a belt-like structure sealing the extracellular space. The CS act as a selective barrier between the external cell layers and the vascular cylinder and are thought to be important in many aspects of root function. For instance, selective nutrient uptake and sequestration from the soil, resistance to different abiotic and biotic stresses are expected to involve functional CS. Although discovered 150 years ago, nothing was known about the genes involved in CS establishment until recently. The use of the model plant Arabidopsis thaliana together with both reverse and forward genetic approaches led to the discovery of an increasing number of genes involved in different steps of CS formation during the last few years. One of these genes encodes SCHENGEN3 (SGN3), a leucine-rich repeat receptor-like kinase (LRR-RLK). SGN3 was discovered first by reverse genetic due to its endodermis-enriched expression, and the corresponding mutant displays strong endodermal permeability of the apoplastic tracer Propidium Iodide (PI) indicative of defective CS. One aim of this thesis is to study the role of SGN3 at the molecular level in order to understand its involvement in establishing an impermeable CS. The endodermal permeability of sgn3 is shown to be the result of incorrect localization of key proteins involved in CS establishment (the "Casparian strip domain proteins", CASPs), leading to non-functional CS interrupted by discontinuities. CASPs localize in the plasma membrane domain subjacent to the CS, named the Casparian Strip membrane Domain (CSD). The CSD discontinuities in sgn3 together with SGN3 localization in close proximity to the CASPs lead to the assumption that SGN3 is involved in the formation of a continuous CSD. In addition, SGN3 might have a second role, acting as a kinase reporting CSD integrity leading to lignin and suberin production in CSD/CS defective plants. Up to now, sgn3 is the strongest and most specific CS mutant available, displaying tracer penetration along the whole length of the seedling root. For this reason, this mutant is well suited in order to characterize the physiological behaviour of CS affected plants. Due to the lack of such mutants in the past, it was not possible to test the presumed functions of CS by using plants lacking this structure. We decided to use sgn3 for this purpose. Surprisingly, sgn3 overall growth is only slightly affected. Nevertheless, processes expected to rely on functional CS, such as water transport through the root, nutrient homeostasis, salt tolerance and resistance to an excess of some nutrients are altered in this mutant. On the other hand, homeostasis for most elements and drought tolerance are not affected in sgn3. It is surprising to observe that homeostatic defects are specific, with a decrease in potassium and an increase in magnesium levels. It indicates a backup system, set up by the plant in order to counteract free diffusion of nutrients into the stele. For instance, potassium shortage in sgn3 upregulates the transcription of potassium influx transport proteins and genes known to be induced by potassium starvation. Moreover, sgn3 mutant is hypersensitive to low potassium conditions. Hopefully, these results about SGN3 will help our understanding of CS establishment at the molecular level. In addition, physiological experiments using sgn3 should give us a framework for future experiments and help us to understand the different roles of CS and their involvement during nutrient radial transport through the root. -- L'endoderme est un tissu présent dans les racines de toutes les plantes vasculaires à l'exception des Lycophytes. Ce tissu établit une barrière protectrice entourant les tissus vasculaires dans le but d'éviter la diffusion passive et incontrôlée des nutriments au travers de la racine. Cette propriété de barrière provient de la production des cadres de Caspary, une imprégnation localisée de lignine des parties anticlinales de la paroi de chaque cellule d'endoderme. Cela donne naissance à un anneau/cadre qui rend étanche l'espace extracellulaire. Les cadres de Caspary agissent comme une barrière sélective entre les couches externes de la racine et le cylindre central et sont supposés être importants dans beaucoup d'aspects du fonctionnement de la racine. Par exemple, l'absorption sélective de nutriments et leur séquestration à partir du sol ainsi que la résistance contre différents stress abiotiques et biotiques sont supposés impliquer des cadres de Caspary fonctionnels. Bien que découverts il y a 150 ans, rien n'était connu concernant les gènes impliqués dans Ja formation des cadres de Caspary jusqu'à récemment. Durant ces dernière années, l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thaliana ainsi que des approches de génétique inverse et classique ont permis la découverte d'un nombre croissant de gènes impliqués à différentes étapes de la formation de cette structure. Un des ces gènes code pour SCHENGEN3 (SGN3), un récepteur kinase "leucine-rich repeat receptor-like kinase" (LRR-RLK). SGN3 a été découvert en premier par génétique inverse grâce à son expression enrichie dans l'endoderme. Les cadres de Caspary ne sont pas fonctionnels dans le mutant correspondant, ce qui est visible à cause de la perméabilité de l'endoderme au traceur apoplastique Propidium Iodide (PI). Un des objectifs de cette thèse est d'étudier la fonction de SGN3 au niveau moléculaire dans le but de comprendre son rôle dans la formation des cadres de Caspary. J'ai pu démontrer que la perméabilité de l'endoderme du mutant sgn3 est le résultat de la localisation incorrecte de protéines impliquées dans la formation des cadres de Caspary, les "Casparian strip domain proteins" (CASPs). Cela induit des cadres de Caspary non fonctionnels, contenant de nombreuses interruptions. Les CASPs sont localisés à la membrane plasmique dans un domaine sous-jacent les cadres de Caspary appelé Casparian Strip membrane Domain (CSD). Les interruptions du CSD dans le mutant sgn3, ainsi que la localisation de SGN3 à proximité des CASPs nous font penser à un rôle de SGN3 dans l'élaboration d'un CSD ininterrompu. De plus, SGN3 pourrait avoir un second rôle, agissant en tant que kinase reportant l'intégrité du CSD et induisant la production de lignine et de subérine dans des plantes contenant des cadres de Caspary non fonctionnels. Jusqu'à ce jour, sgn3 est le mutant en notre possession le plus fort et le plus spécifique, ayant un endoderme perméable tout le long de la racine. Pour cette raison, ce mutant est adéquat dans le but de caractériser la physiologie de plantes ayant des cadres de Caspary affectés. De manière surprenante, la croissance de sgn3 est seulement peu affectée. Néanmoins, des processus censés nécessiter des cadres de Caspary fonctionnels, comme le transport de l'eau au travers de la racine, l'homéostasie des nutriments, la tolérance au sel et la résistance à l'excès de certains nutriments sont altérés dans ce mutant. Malgré tout, l'homéostasie de la plupart des nutriments ainsi que la résistance au stress hydrique ne sont pas affectés dans sgn3. De manière surprenante, les altérations de l'ionome de sgn3 sont spécifiques, avec une diminution de potassium et un excès de magnésium. Cela implique un système de compensation établi par la plante dans le but d'éviter la diffusion passive des nutriments en direction du cylindre central. Par exemple, le manque de potassium dans sgn3 augmente la transcription de transporteurs permettant l'absorption de cet élément. De plus, des gènes connus pour être induits en cas de carence en potassium sont surexprimés dans sgn3 et la croissance de ce mutant est sévèrement affectée dans un substrat pauvre en potassium. Ces résultats concernant SGN3 vont, espérons-le, aider à la compréhension du processus de formation des cadres de Caspary au niveau moléculaire. De plus, les expériences de physiologie utilisant sgn3 présentées dans cette thèse devraient nous donner une base pour des expériences futures et nous permettre de comprendre mieux le rôle des cadres de Caspary, et plus particulièrement leur implication dans le transport radial des nutriments au travers de la racine. -- Les plantes terrestres sont des organismes puisant l'eau et les nutriments dont elles ont besoin pour leur croissance dans le sol grâce à leurs racines. De par leur immobilité, elles doivent s'adapter à des sols contenant des quantités variables de nutriments et il leur est crucial de sélectionner ce dont elles ont besoin afin de ne pas s'intoxiquer. Cette sélection est faite grâce à un filtre formé d'un tissu racinaire interne appelé endoderme. L'endoderme fabrique une barrière imperméable entourant chaque cellule appelée "cadre de Caspary". Ces cadres de Caspary empêchent le libre passage des nutriments, permettant un contrôle précis de leur passage. De plus, ils sont censés permettre de résister contre différents stress environnementaux comme la sécheresse, la salinité du sol ou l'excès de nutriments. Bien que découverts il y a 150 ans, rien n'était connu concernant les gènes impliqués dans la formation des cadres de Caspary jusqu'à récemment. Durant ces dernière années, l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thaliana a permis la découverte d'un nombre croissant de gènes impliqués à différentes étapes de la formation de cette structure. Un de ces gènes code pour SCHENGEN3 (SGN3), un récepteur kinase "leucine-rich repeat receptor-like kinase" (LRR- RLK). Nous montrons dans cette étude que le gène SGN3 est impliqué dans la formation des cadres de Caspary, et que le mutant correspondant sgn3 a des cadres de Caspary interrompus. Ces interruptions rendent l'endoderme perméable, l'empêchant de bloquer le passage des molécules depuis le sol vers le centre de la racine. En utilisant ce mutant, nous avons pu caractériser la physiologie de plantes ayant des cadres de Caspary affectés. Cela a permis de découvrir que le transport de l'eau au travers de la racine était affecté dans le mutant sgn3. De plus, l'accumulation de certains éléments dans les feuilles de ce mutant est altérée. Nous avons également pu montrer une sensibilité de ce mutant à un excès de sel ou de certains nutriments comme le fer et le manganèse.

Mammalian Target of Rapamycin Complex 2 Controls CD8 T Cell Memory Differentiation in a Foxo1-Dependent Manner.

Upon infection, antigen-specific naive CD8 T cells are activated and differentiate into short-lived effector cells (SLECs) and memory precursor cells (MPECs). The underlying signaling pathways remain largely unresolved. We show that Rictor, the core component of mammalian target of rapamycin complex 2 (mTORC2), regulates SLEC and MPEC commitment. Rictor deficiency favors memory formation and increases IL-2 secretion capacity without dampening effector functions. Moreover, mTORC2-deficient memory T cells mount more potent recall responses. Enhanced memory formation in the absence of mTORC2 was associated with Eomes and Tcf-1 upregulation, repression of T-bet, enhanced mitochondrial spare respiratory capacity, and fatty acid oxidation. This transcriptional and metabolic reprogramming is mainly driven by nuclear stabilization of Foxo1. Silencing of Foxo1 reversed the increased MPEC differentiation and IL-2 production and led to an impaired recall response of Rictor KO memory T cells. Therefore, mTORC2 is a critical regulator of CD8 T cell differentiation and may be an important target for immunotherapy interventions.

The Cellular Oxygen Sensor PHD2 in Cancer Growth

Adequate supply of oxygen is essential for the survival of multicellular organisms. However, in several conditions the supply of oxygen can be disturbed and the tissue oxygenation is compromised. This condition is termed hypoxia. Oxygen homeostasis is maintained by the regulation of both the use and delivery of oxygen through complex, sensitive and cell-type specific transcriptional responses to hypoxia. This is mainly achieved by one master regulator, a transcription factor called hypoxiainducible factor 1 (HIF-1). The amount of HIF-1 is under tight oxygen-dependent control by a family of oxygen-dependent prolyl hydroxylase domain proteins (PHDs) that function as the cellular oxygen sensors. Three family members (PHD1-3) are known to regulate HIF of which the PHD2 isoform is thought to be the main regulator of HIF-1. The supply of oxygen can be disturbed in pathophysiological conditions, such as ischemic disorders and cancer. Cancer cells in the hypoxic parts of the tumors exploit the ability of HIF-1 to turn on the mechanisms for their survival, resistance to treatment, and escape from the oxygen- and nutrient-deprived environment. In this study, the expression and regulation of PHD2 were studied in normal and cancerous tissues, and its significance in tumor growth. The results show that the expression of PHD2 is induced in hypoxic cells. It is overexpressed in head and neck squamous cell carcinomas and colon adenocarcinomas. Although PHD2 normally resides in the cytoplasm, nuclear translocation of PHD2 was also seen in a subset of tumor cells. Together with the overexpression, the nuclear localization correlated with the aggressiveness of the tumors. The nuclear localization of PHD2 caused an increase in the anchorage-independent growth of cancer cells. This study provides information on the role of PHD2, the main regulator of HIF expression, in cancer progression. This knowledge may prove to be valuable in targeting the HIF pathway in cancer treatment.

Nucleotide-sugar transporters: structure, function and roles in vivo

The glycosylation of glycoconjugates and the biosynthesis of polysaccharides depend on nucleotide-sugars which are the substrates for glycosyltransferases. A large proportion of these enzymes are located within the lumen of the Golgi apparatus as well as the endoplasmic reticulum, while many of the nucleotide-sugars are synthesized in the cytosol. Thus, nucleotide-sugars are translocated from the cytosol to the lumen of the Golgi apparatus and endoplasmic reticulum by multiple spanning domain proteins known as nucleotide-sugar transporters (NSTs). These proteins were first identified biochemically and some of them were cloned by complementation of mutants. Genome and expressed sequence tag sequencing allowed the identification of a number of sequences that may encode for NSTs in different organisms. The functional characterization of some of these genes has shown that some of them can be highly specific in their substrate specificity while others can utilize up to three different nucleotide-sugars containing the same nucleotide. Mutations in genes encoding for NSTs can lead to changes in development in Drosophila melanogaster or Caenorhabditis elegans, as well as alterations in the infectivity of Leishmania donovani. In humans, the mutation of a GDP-fucose transporter is responsible for an impaired immune response as well as retarded growth. These results suggest that, even though there appear to be a fair number of genes encoding for NSTs, they are not functionally redundant and seem to play specific roles in glycosylation.

Comparaison de l’ubiquitylation de différentes protéines à domaine SH3 impliquées dans l’endocytose suite à leur interaction avec la ligase de l’ubiquitine Itch

Itch est la seule ligase de l'ubiquitine de type C2-WW-HECT capable d'interagir avec les protéines à domaine SH3. Ce domaine est particulièrement représenté parmi les protéines régulatrices de l'endocytose. Les travaux présentés ici visaient à examiner la capacité d'Itch à interagir avec plusieurs protéines endocytiques. Nous avons utilisé la technique du BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer) pour examiner quelques protéines candidates. Nous avons ensuite confirmé les résultats obtenus par BRET avec des tests d'interaction in vitro, puis déterminé la capacité d'Itch à ubiquityler les protéines liées via leurs domaines SH3. Nous avons ainsi découvert deux nouveaux partenaires d'interaction et substrats d'Itch parmi les protéines endocytiques, amphyphisine et pacsine. De plus, Itch interagit avec les domaines SH3 isolés d'intersectine, mais pas avec la protéine complète, suggérant que cette dernière n'est pas un substrat d'Itch. Itch est donc bien positionnée pour exercer un rôle régulateur de l'endocytose en ubiquitylant ses substrats.

Importance de la phosphorylation de la ligase Itch dans la reconnaissance et l'ubiquitylation des protéines à domaine SH3

Itch est une ligase de l’ubiquitine impliquée dans la reconnaissance et la dégradation des protéines par le protéasome. Itch contient trois sites phosphorylés par JNK et il a été démontré que la phosphorylation de ces résidus est nécessaire pour que Itch puisse reconnaître et ubiquityler les protéines c-Jun et JunB. Ces sites de phosphorylation se retrouvent dans le domaine PRD responsable des interactions de Itch avec les protéines à domaine SH3. Si la phosphorylation de Itch par JNK est importante pour réguler son activité avec c-Jun et JunB, on connaît peu de choses sur les interactions de Itch avec les protéines à domaine SH3 ainsi que l’implication de la phosphorylation dans leur régulation. Nous avons donc créé des mutants de Itch par mutagenèse dirigée où les sites de phosphorylation étaient remplacés par des alanines (mutant non phosphorylable) et où l’un des trois sites était remplacé par un acide aspartique (mutant constitutivement phosphorylé). Ces mutants sont utilisés dans des tests d’interaction et d’ubiquitylation, dans le but de déterminer l’impact de la phosphorylation de Itch dans la reconnaissance et l’ubiquitylation des protéines SH3. Nos résultats montrent que, contrairement au modèle proposé, la phosphorylation de Itch n’est pas essentielle à l’interaction de Itch avec l’endophiline, mais la phosphorylation de Itch module l’ubiquitylation ainsi que la dégradation de l’endophiline. La régulation de l’interaction de Itch avec ses substrats est donc différente selon le substrat.

Regulation of gene expression in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste.