Chemical changes in biomass during torrefaction

Torrefaction is moderate thermal treatment (~200-300 °C) of biomass in an inert atmosphere. The torrefied fuel offers advantages to traditional biomass, such as higher heating value, reduced hydrophilic nature, increased its resistance to biological decay, and improved grindability. These factors could, for instance, lead to better handling and storage of biomass and increased use of biomass in pulverized combustors. In this work, we look at several aspects of changes in the biomass during torrefaction. We investigate the fate of carboxylic groups during torrefaction and its dependency to equilibrium moisture content. The changes in the wood components including carbohydrates, lignin, extractable materials and ashforming matters are also studied. And at last, the effect of K on torrefaction is investigated and then modeled. In biomass, carboxylic sites are partially responsible for its hydrophilic characteristic. These sites are degraded to varying extents during torrefaction. In this work, methylene blue sorption and potentiometric titration were applied to measure the concentration of carboxylic groups in torrefied spruce wood. The results from both methods were applicable and the values agreed well. A decrease in the equilibrium moisture content at different humidity was also measured for the torrefied wood samples, which is in good agreement with the decrease in carboxylic group contents. Thus, both methods offer a means of directly measuring the decomposition of carboxylic groups in biomass during torrefaction as a valuable parameter in evaluating the extent of torrefaction. This provides new information to the chemical changes occurring during torrefaction. The effect of torrefaction temperature on the chemistry of birch wood was investigated. The samples were from a pilot plant at Energy research Center of the Netherlands (ECN). And in that way they were representative of industrially produced samples. Sugar analysis was applied to analyze the hemicellulose and cellulose content during torrefaction. The results show a significant degradation of hemicellulose already at 240 °C, while cellulose degradation becomes significant above 270 °C torrefaction. Several methods including Klason lignin method, solid state NMR and Py-GC-MS analyses were applied to measure the changes in lignin during torrefaction. The changes in the ratio of phenyl, guaiacyl and syringyl units show that lignin degrades already at 240 °C to a small extent. To investigate the changes in the extractives from acetone extraction during torrefaction, gravimetric method, HP-SEC and GC-FID followed by GC-MS analysis were performed. The content of acetone-extractable material increases already at 240 °C torrefaction through the degradation of carbohydrate and lignin. The molecular weight of the acetone-extractable material decreases with increasing the torrefaction temperature. The formation of some valuable materials like syringaresinol or vanillin is also observed which is important from biorefinery perspective. To investigate the change in the chemical association of ash-forming elements in birch wood during torrefaction, chemical fractionation was performed on the original and torrefied birch samples. These results give a first understanding of the changes in the association of ashforming elements during torrefaction. The most significant changes can be seen in the distribution of calcium, magnesium and manganese, with some change in water solubility seen in potassium. These changes may in part be due to the destruction of carboxylic groups. In addition to some changes in water and acid solubility of phosphorous, a clear decrease in the concentration of both chlorine and sulfur was observed. This would be a significant additional benefit for the combustion of torrefied biomass. Another objective of this work is studying the impact of organically bound K, Na, Ca and Mn on mass loss of biomass during torrefaction. These elements were of interest because they have been shown to be catalytically active in solid fuels during pyrolysis and/or gasification. The biomasses were first acid washed to remove the ash-forming matters and then organic sites were doped with K, Na, Ca or Mn. The results show that K and Na bound to organic sites can significantly increase the mass loss during torrefaction. It is also seen that Mn bound to organic sites increases the mass loss and Ca addition does not influence the mass loss rate on torrefaction. This increase in mass loss during torrefaction with alkali addition is unlike what has been found in the case of pyrolysis where alkali addition resulted in a reduced mass loss. These results are important for the future operation of torrefaction plants, which will likely be designed to handle various biomasses with significantly different contents of K. The results imply that shorter retention times are possible for high K-containing biomasses. The mass loss of spruce wood with different content of K was modeled using a two-step reaction model based on four kinetic rate constants. The results show that it is possible to model the mass loss of spruce wood doped with different levels of K using the same activation energies but different pre-exponential factors for the rate constants. Three of the pre-exponential factors increased linearly with increasing K content, while one of the preexponential factors decreased with increasing K content. Therefore, a new torrefaction model was formulated using the hemicellulose and cellulose content and K content. The new torrefaction model was validated against the mass loss during the torrefaction of aspen, miscanthus, straw and bark. There is good agreement between the model and the experimental data for the other biomasses, except bark. For bark, the mass loss of acetone extractable material is also needed to be taken into account. The new model can describe the kinetics of mass loss during torrefaction of different types of biomass. This is important for considering fuel flexibility in torrefaction plants.

Evaluation of lignin content of soybean seed coat stored in a controlled environment

Breeding soybean for high seed quality is an important approach for developing cultivars for tropical regions, and the lignin content in the seed coat is one of the screening parameters for this trait. Considering that many breeding lines are evaluated in each growing season using the presently recommended method for lignin determination, a long period is required for the evaluation of the whole breeding program. This time limitation may influence lignin content assessment, if lignin is degraded during storage. This research reported was designed to determine whether lignin was degraded in the seed coat of soybean seed cultivars stored for one year in a controlled environment (10°C temperature and 50% air relative humidity). Seeds of 12 selected soybean cultivars that had a range in seed coat lignin content were evaluated. Seeds were hand harvested just after physiological maturity and evaluated for seed coat lignin content at harvest and after one year of storage in a cold room (10°C and 50% RH). The lignin content in seed coats differed significantly among cultivars in both analyses, but for both results the sequence of cultivar classification and the lignin content values of each cultivar did not change. A regression analysis of lignin content at harvest and after one year of storage indicated a direct relationship between both lignin determinations suggesting no differences between the lignin content of each cultivar due to prolonged storage (r² = 0.98***). This indicates that the lignin determination in the soybean seed coat can be performed over a long time period without any bias due to change in its content.

Use of chlrophyll fluorescence sorting to improve soybean seed quality

The occurrence of green seeded soybeans [Glycine max (L.) Merrill] is a problem closely related to unfavorable climatic conditions, mainly drought, that occurs during the final stages of seed maturation. This problem causes serious losses to soybean seed quality in Brazil. In these seeds, chlorophyll is not properly degraded during maturation, drastically reducing seed quality. Using the chlorophyll fluorescence technique, it is possible to remove green seeds from the seed lot, improving seed quality in several species in which the occurrence of green seeds is also a problem. The objective of this research was to study the use of the chlorophyll fluorescence technique in sorting green seeds from soybean seed samples and its effects on quality. Five seed samples of soybean, cultivar TMG 113 RR, with 0%, 5%, 10%, 15%, and 20% of green seeds were used in this study. Seeds from each sample were sorted into two fractions based on the chlorophyll fluorescence signals and then compared to the control (non-sorted seeds). The sorting process showed great differences between the low and high chlorophyll fluorescence fractions. It was concluded that: green seeds of soybeans present high chlorophyll fluorescence and that this characteristic affects the quality of the seeds; it is possible to improve the quality of soybean seed by removing green seeds using the chlorophyll fluorescence sorting technique.

Physiological quality evaluation of the radii Schinus terebinthifolius seeds

Schinus terebinthifolius is a native forest species which may be used in recuperating degraded areas and in urban afforestation. In order to evaluate the efficiency of methods for separating lots of S. terebinthifolius seeds into vigor levels, five lots of seeds were qualitatively evaluated for their moisture content, germination, first count, accelerated aging (the traditional and the saturated salt methods), germination speed index, average time of germination and seedling length and dry weight. The results showed that the tests of first germination count, accelerated aging at 41 ºC for 72 hours, average time of germination, seedling length and dry matter permitted the separation of S. terebinthifolius seeds into different vigor levels.

Floral biology and characterization of seed germination in physic nut (Jatropha curcas L.)

The objective of this study was to characterize morphologically the seed germination and floral biology of Jatropha curcas grown in Viçosa, Minas Gerais state. The floral biology study was made on fresh inflorescences of 20 plants. For the post-seminal development study, the seeds were submitted to laboratory and greenhouse germination test. J. curcas has flowers of both sexes within the same inflorescence, with each inflorescence having an average of 131 flowers, being 120 male and 10.5 female flowers. Low numbers of hermaphrodite flowers were also found, ranging from 0 to 6 flowers per inflorescence. The germination of J. curcas begins on the third day with radicle protrusion in the hilum region. The primary root is cylindrical, thick, glabrous and branches rapidly, with about 4-5 branches three days after protrusion, when the emergence of the secondary roots begins. Seed coat removal occurs around the 8th day, when the endosperm is almost totally degraded and offers no resistance to the cotyledons that expand between the 10th and 12th day. A normal seedling has a long greenish hypocotyl, two cotyledons, a robust primary root and several lateral roots. On the 12th day after sowing, the normal seedling is characterized as phanerocotylar and germination is epigeal.

Environmental assessment of Lake Gibson sediments, water quality, and soils of the Niagara Region

In light of the fact that literature on toxicity of heavy metals in non-acidified freshwater systems is sparse, this project was initiated to conduct an environmental assessment of Lake Gibson. Chemistry of soils from adjacent areas and vineyards in the region provide a comparative background database. Water quality determinations were used to identify and highlight areas of environmental concern within the Lake Gibson watershed. A Shelby Corer was used to obtain 66 sediment cores from Lake Gibson. These were sectioned according to lithology and color to yield 298 samples. A suite of 122 soil samples was collected in the region and vicinity of Lake Gibson. All were tested for metals and some for Total Petroleum Hydrocarbons (TPH). Evaluation of the results leads to the following conclusions: 1. Metal concentrations ofAI, Cd, Cu, Cr, Pb, Ni, Fe and Zn in soils from the Niagara Region are well below background limits set by the Ministry of the Environment and Energy (MOEE) for provincial soils. 2. There is a spatial and depth difference for some of the metals within the various soils. The Cr, Ni and Pb contents of soils vary throughout the region (pdegraded with respect to TPH. One area is just downstream from the Old WeIland Canal divergence point and waterfall. Other areas of concern are located just south of Beaverdams Road and just west ofthe Ontario Hydro control pipes; south ofthe Village ofBeaverdams. The fourth area of environmental concern and TPH impact is located between Highway 406 and Merrittville Highway.

The role of vermiculite in the fixation of potassium in soils and the availability of potassium for vine nutrition in some Niagara vineyards

The Niagara P e n i n s u l a Supports a f l o u r i s h i n g grape and wine i n d u s t r y , where much of the potassium f e r t i l i z e r a p p l i e d to the vineyard s o i l s may not show up in the f r u i t or vines but is fixed by the clay m i n e r a l s in the s o i l . Soil samples were c o l l e c t e d on a n o r t h - s o u t h l i ne through a high d e n s i t y of v i n e y a r d s and examined by x - r a y d i f f r a c t i o n to determine the r e l a t i o n s h i p of potassium with r e s p e c t to c l a y minerals p r e s e n t . The i n v e s t i g a t i o n shows the p h y l l o s i l i c a t e m i n e r a l s present t o be i l l i t e , c h l o r i t e and v e r m i c u l i t e . The v e r m i c u l i t e p r e s e n t is not t h e usual M g - v e r m i c u l i t e , but a K - v e r m i c u l i t e which can be c o n s i d e r e d as a degraded i l l i t e - - t h a t i s , an i l l i t e which has l o s t potassium i o n s . The r e s u l t i n g K - d e f i c i e n t mineral possesses a very l i m i t e d expansion l a t t i ce and is capable of c a p t u r i n g potassium ions and c o n v e r t i n g back t o the i l l i t e form. A g r i c u l t u r a l l y , t h i s causes potassium d e f i c i e n c y in p l a n t s.

Les R-loops et leurs conséquences sur l'expression génique chez Escherichia coli.

Des variations importantes du surenroulement de l’ADN peuvent être générées durant la phase d’élongation de la transcription selon le modèle du « twin supercoiled domain ». Selon ce modèle, le déplacement du complexe de transcription génère du surenroulement positif à l’avant, et du surenroulement négatif à l’arrière de l’ARN polymérase. Le rôle essentiel de la topoisomérase I chez Escherichia coli est de prévenir l’accumulation de ce surenroulement négatif générée durant la transcription. En absence de topoisomérase I, l’accumulation de ce surenroulement négatif favorise la formation de R-loops qui ont pour conséquence d’inhiber la croissance bactérienne. Les R-loops sont des hybrides ARN-ADN qui se forment entre l’ARN nouvellement synthétisé et le simple brin d’ADN complémentaire. Dans les cellules déficientes en topoisomérase I, des mutations compensatoires s’accumulent dans les gènes qui codent pour la gyrase, réduisant le niveau de surenroulement négatif du chromosome et favorisant la croissance. Une des ces mutations est une gyrase thermosensible qui s’exprime à 37 °C. La RNase HI, une enzyme qui dégrade la partie ARN d’un R-loop, peut aussi restaurer la croissance en absence de topoisomérase I lorsqu’elle est produite en très grande quantité par rapport à sa concentration physiologique. En présence de topoisomérase I, des R-loops peuvent aussi se former lorsque la RNase HI est inactive. Dans ces souches mutantes, les R-loops induisent la réponse SOS et la réplication constitutive de l’ADN (cSDR). Dans notre étude, nous montrons comment les R-loops formés en absence de topoisomérase I ou RNase HI peuvent affecter négativement la croissance des cellules. Lorsque la topoisomérase I est inactivée, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif conduit à la formation de nombreux R-loops, ce qui déclenche la dégradation de l’ARN synthétisé. Issus de la dégradation de l’ARNm de pleine longueur, des ARNm incomplets et traductibles s’accumulent et causent l’inhibition de la synthèse protéique et de la croissance. Le processus par lequel l’ARN est dégradé n’est pas encore complètement élucidé, mais nos résultats soutiennent fortement que la RNase HI présente en concentration physiologique est responsable de ce phénotype. Chose importante, la RNase E qui est l’endoribonuclease majeure de la cellule n’est pas impliquée dans ce processus, et la dégradation de l’ARN survient avant son action. Nous montrons aussi qu’une corrélation parfaite existe entre la concentration de RNase HI, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif et l’inhibition de la croissance bactérienne. Lorsque la RNase HI est en excès, l’accumulation de surenroulement négatif est inhibée et la croissance n’est pas affectée. L’inverse se produit Lorsque la RNase HI est en concentration physiologique. En limitant l’accumulation d’hypersurenroulement négatif, la surproduction de la RNase HI prévient alors la dégradation de l’ARN et permet la croissance. Quand la RNase HI est inactivée en présence de topoisomérase I, les R-loops réduisent le niveau d’expression de nombreux gènes, incluant des gènes de résistance aux stress comme rpoH et grpE. Cette inhibition de l’expression génique n’est pas accompagnée de la dégradation de l’ARN contrairement à ce qui se produit en absence de topoisomérase I. Dans le mutant déficient en RNase HI, la diminution de l’expression génique réduit la concentration cellulaire de différentes protéines, ce qui altère négativement le taux de croissance et affecte dramatiquement la survie des cellules exposées aux stress de hautes températures et oxydatifs. Une inactivation de RecA, le facteur essentiel qui déclenche la réponse SOS et le cSDR, ne restaure pas l’expression génique. Ceci démontre que la réponse SOS et le cSDR ne sont pas impliqués dans l’inhibition de l’expression génique en absence de RNase HI. La croissance bactérienne qui est inhibée en absence de topoisomérase I, reprend lorsque l’excès de surenroulement négatif est éliminé. En absence de RNase HI et de topoisomérase I, le surenroulement négatif est très relaxé. Il semble que la réponse cellulaire suite à la formation de R-loops, soit la relaxation du surenroulement négatif. Selon le même principe, des mutations compensatoires dans la gyrase apparaissent en absence de topoisomérase I et réduisent l’accumulation de surenroulement négatif. Ceci supporte fortement l’idée que le surenroulement négatif joue un rôle primordial dans la formation de R-loop. La régulation du surenroulement négatif de l’ADN est donc une tâche essentielle pour la cellule. Elle favorise notamment l’expression génique optimale durant la croissance et l’exposition aux stress, en limitant la formation de R-loops. La topoisomérase I et la RNase HI jouent un rôle important et complémentaire dans ce processus.

Régulation des chaperons de la présentation antigénique par ubiquitination

La chaîne invariante forme un complexe nonamérique avec les molécules classiques du CMH de classe II. HLA-DM et HLA-DO, des molécules non-classiques de classe II, sont aussi impliquées dans la présentation des peptides antigéniques aux lymphocytes T. Ces molécules chaperones de la présentation antigénique modulent la capacité d’une cellule à présenter des antigènes par les moloécules classiques du CMH de classe II. La régulation transcriptionnelle des molécules chaperones, tout comme celle des autres molécules du CMH de classe II, est assurée par le transactivateur CIITA. La molécule HLA-DR peut être régulée négativement de manière post-traductionnelle par ubiquitination grâce à l’enzyme E3 ubiquitine ligase MARCH1. Celle-ci est induite par l’interleukine-10 dans les monocytes. L’objectif de ce projet était de déterminer si l’ubiquitination par MARCH1 peut aussi réguler l’expression des molécules chaperones de la présentation antigénique. Les expériences furent réalisées dans le contexte de co-transfections en cellules HEK293T. L’expression des molécules fut évaluée par immunomarquages et cytométrie de flux. Il a été montré que l’isoforme p33 de la chaîne invariante est régulé négativement en présence de MARCH1 à partir de la surface cellulaire, causant ainsi sa dégradation. Tel que démontré par l’utilisation d’un mutant dépourvu de queue cytoplasmique, cette dernière région n’est pas indispensable à ce phénomène. Une hypothèse est qu’une molécule non-identifiée, associée à Ii, serait ubiquitinée par MARCH1, l’entraînant dans sa régulation négative. Il fut déterminer que cette molécule n’était pas CXCR2, un récepteur pouvant être impliqué, avec la chaîne invariante et CD44, en tant que récepteur de MIF (Macrophage Inhibitory Factor). Il fut aussi montré que HLA-DO peut être ciblé par MARCH1 mais ceci ne semble pas être un phénomène dominant; l’expression des complexes DO/DM n’étant pas affectée bien qu’ils entrent en interaction avec MARCH1. L’expression de HLA-DM n’est pas affectée par MARCH1. Il n’a toutefois pas été déterminé hors de tout doute si MARCH1 peut modifier DM; des résultats obtenus avec une queue cytoplasmique de DM possédant une lysine laissant suggérer qu’il est possible que MARCH1 interagisse avec DM. Dans l’ensemble, les travaux démontrent que l’ubiquitination par MARCH1 joue un rôle dans la régulation post-transcriptionnelle de la chaîne invariante p33 mais pas HLA-DO et HLA-DM.

Analyse du mécanisme de la dégradation du récepteur CD4 par la protéine Vpu du virus de l'immunodéficience humaine-1 (VIH-1)

Le VIH-1 a développé plusieurs mécanismes menant à la dégradation de son récepteur cellulaire, la molécule CD4, dans le but d’augmenter la relâche de particules virales infectieuses et d’éviter que la cellule soit surinfectée. L’un de ces mécanismes est la dégradation, induite par la protéine virale Vpu, du CD4 nouvellement synthétisé au niveau du réticulum endoplasmique (RE). Vpu doit lier CD4 et recruter l’ubiquitine ligase cellulaire SCFβ-TrCP, via sa liaison à β-TrCP, afin de dégrader CD4. Puisque CD4 doit être retenu au RE pour permettre à Vpu d’induire sa dégradation via le système ubiquitine-protéasome, il a été suggéré que ce processus implique un mécanisme semblable à une voie cellulaire de dégradation des protéines mal-repliées appelée ERAD (« endoplasmic reticulum-associated degradation »). La dégradation par ERAD implique généralement la dislocation des protéines du RE vers le cytoplasme afin de permettre leur poly-ubiquitination et leur dégradation par le protéasome. Nous avons démontré que Vpu induit la poly-ubiquitination de CD4 dans des cellules humaines. Nos résultats suggèrent aussi que CD4 doit subir une dislocation afin d’être dégradé par le protéasome en présence de Vpu. De plus, un mutant transdominant négatif de l’ATPase p97, qui est impliquée dans la dislocation des substrats ERAD, inhibe complètement la dégradation de CD4 par Vpu. Enfin, nos résultats ont montré que l’ubiquitination sur des résidus accepteurs de l’ubiquitine (lysines) de la queue cytoplasmique de CD4 n’était pas essentielle, mais que la mutation des lysines ralentit le processus de dégradation de CD4. Ce résultat suggère que l’ubiquitination de la queue cytosolique de CD4 pourrait représenter un événement important dans le processus de dégradation induit par Vpu. L’attachement de l’ubiquitine a généralement lieu sur les lysines de la protéine ciblée. Toutefois, l’ubiquitination sur des résidus non-lysine (sérine, thréonine et cystéine) a aussi été démontrée. Nous avons démontré que la mutation de tous les sites potentiels d’ubiquitination cytoplasmiques de CD4 (K, C, S et T) inhibe la dégradation par Vpu. De plus, la présence de cystéines dans la queue cytoplasmique apparaît suffisante pour rendre CD4 sensible à Vpu en absence de lysine, sérine et thréonine. Afin d’expliquer ces résultats, nous proposons un modèle dans lequel l’ubiquitination de la queue cytosolique de CD4 serait nécessaire à sa dégradation et où les sites d’ubiquitination de CD4 seraient sélectionnés de façon non spécifique par l’ubiquitine ligase recrutée par Vpu. Enfin, nous avons observé que la co-expression d’une protéine Vpu incapable de recruter β-TrCP (Vpu S52,56/D) semble stabiliser le CD4 qui est retenu au RE. De plus, d’autres mutants de Vpu qui semblent capables de recruter β-TrCP et CD4 sont toutefois incapables d’induire sa dégradation. Ces résultats suggèrent que l’association de Vpu à CD4 et β-TrCP est essentielle mais pas suffisante pour induire la dégradation de CD4. Par conséquent, ces résultats soulèvent la possibilité que Vpu puisse recruter d’autres facteurs cellulaires pour induire la dégradation de CD4. Les résultats présentés ont permis de mieux définir le mécanisme de dégradation de CD4 par Vpu dans des cellules humaines. De plus, ces résultats nous ont permis d’élaborer un modèle dans lequel l’ubiquitine ligase cellulaire SCFβ-TrCP démontre de la flexibilité dans le choix des résidus à ubiquitiner afin d’induire la dégradation de CD4. Enfin, ces études jettent un oeil nouveau sur le rôle de Vpu dans ce processus puisque nos résultats suggèrent que Vpu doive recruter d’autres partenaires cellulaires, mis à part β-TrCP, pour induire la dégradation de CD4.

N-acétyltransférase lysosomale : organisation, fonctionnement et défauts moléculaires chez les patients atteints du syndrome de Sanfilippo type C

L’acétylation des résidus de glucosamine terminaux par la N-acétyltransférase lysosomale (HGSNAT) est une étape essentielle de la dégradation catabolique de l’héparan sulfate. Des défauts dans cette réaction causent une maladie de surcharge lysosomale autosomale récessive rare : le désordre de Sanfilippo type C (SFC). À ce jour, 54 mutations ont été rapportées chez des patients SFC, incluant 13 mutations des sites d’épissage, 11 insertions et délétions, 8 mutations non-sens, 18 mutations faux-sens et 4 polymorphismes, avec différentes manifestations phénotypiques. Nous avons identifié 10 d’entre elles et effectué une étude exhaustive portant sur l’éventail des mutations SFC, leur distribution dans la population de patients, ainsi que leur impact potentiel sur la structure de la HGSNAT. Les erreurs d’épissage, les mutations non-sens, les insertions et les délétions devraient toutes entraîner un ARN non fonctionnel qui est rapidement dégradé par des mécanismes de contrôle qualité cellulaire. Les 4 polymorphismes identifiés sont des changements d'acides aminés qui ne modifient pas l'activité enzymatique, la glycosylation ou la localisation et n'ont donc pas de signification au niveau clinique. Au niveau des enzymes, les polymorphismes sont des changements d’acides aminés qui n’affectent pas la fonction, mais dans un contexte d’acides nucléiques ils peuvent être considérés comme des mutations faux-sens. Les dix-huit mutations faux-sens qui ont été exprimées ont produit des protéines inactives, en raison d'erreurs dans leur repliement. Ceci expliquerait donc la progression sévère de la maladie chez les personnes porteuses de ces mutations. Les protéines mutantes mal repliées sont anormalement glycosylées et conservées dans le réticulum endoplasmique. La thérapie par amélioration de l’activité enzymatique par des chaperonnes est une option thérapeutique potentielle, spécifiquement conçue pour exploiter l'activité enzymatique résiduelle de mutants mal repliés, afin d’éliminer les substrats stockés. Nous avons démontré que le traitement de plusieurs lignées de fibroblastes de patients SFC avec le chlorhydrate de glucosamine, un inhibiteur spécifique de la HGSNAT, a partiellement restauré l’activité de l'enzyme mutante, fournissant une preuve de l’utilité future de la thérapie par des chaperonnes dans le traitement de la maladie de SFC.

Modifications de la matrice extracellulaire dans la rigidité artérielle

La paroi vasculaire est composée de cellules endothéliales, de cellules musculaires lisses vasculaires et de fibroblastes qui sont entourés d’un réseau structuré et complexe de protéines, la matrice extracellulaire. Les interactions réciproques entre la matrice et les cellules sont nécessaires à la croissance, au développement et au remodelage. Or, différents contextes pathologiques entraînent la perturbation de ces interactions et sont la cause de différentes maladies. Au cours du vieillissement, la matrice extracellulaire des grosses artères élastiques est modifiée. Ainsi, les lamelles élastiques de la paroi vasculaire se fragmentent ou sont dégradées, en plus de calcifier. De même, l’accumulation de protéines plus rigides, comme le collagène, entraîne le développement de la fibrose. Ces modulations vont mener à l’augmentation de la rigidité artérielle et au développement de l’hypertension systolique isolée. En utilisant un modèle animal de calcification basé sur l’inhibition d’une protéine anti-calcifiante, la matrix Gla protein, avec la warfarine, nous avons étudié la séquence des événements impliqués dans le développement de l’hypertension systolique isolée. Nous avons observé l’activation précoce et transitoire de MMP-9, puis du TGF-ß, précédant la modulation phénotypique des cellules musculaires lisses vasculaires, la calcification et les changements hémodynamiques. L’inhibition des métalloprotéinases et du TGF-ß a permis de prévenir la calcification vasculaire. Nous avons également étudié le rôle joué par une enzyme de la matrice extracellulaire, la transglutaminase 2, dans le développement de la calcification associée à l’hypertension systolique isolée. À l’aide d’un nouvel inhibiteur de cette enzyme, qui a permis de prévenir la calcification, nous avons établi que la transglutaminase était un élément clé dans le processus pathologique. Ces travaux ont permis de démontré l’intérêt de nouvelles avenues thérapeutiques ciblant directement la matrice extracellulaire, particulièrement la MMP-9, le TGF-ß et la transglutaminase 2, dans la pathologie de l’hypertension systolique isolée.

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.

Études des mécanismes d’induction de l’immunosuppression par le virus Herpès Humain 6

HHV-6 is a ubiquitous human herpesvirus. Most individuals become infected at the age of 2 years. Primary infection by the virus causes a self-limiting febrile illness called exanthem subitum or roseola. In adults, primary infection may cause mononucleosis-like illnesses. The infection usually remains latent in healthy individuals, but often reactivates in immunocompromised individuals, for example, transplant patients and AIDS patients. The virus has also been associated with cancers and lymphoproliferative disorders. The virus encodes two proteins that interact with p53. However, little is known concerning the impact of the virus on cell cycle progression in human cells. The investigations reported in the thesis were focused on this issue. We show here that that HHV-6 infection delays the cell cycle progression in human T cell line HSB-2, as well as in primary human T cells and causes their accumulation in S and G2/M phase. By degrading the viral DNA in the virus-infected cells, we show that the infected cells accumulate in the G2/M and not in the S phase. We observed an increase in the kinase activity of cdc2 in virus-infected cells despite lower levels of its catalytic partners, cyclin A and cyclin B. We show here that the viral early antigen p41 associates with, and increases the kinase activity of, CDK1. Our studies have shown that there is a drastic reduction of p21 protein, despite the virus-induced stabilization and activation of p53 suggesting that p53 may be transcriptionally inactivated in the virus-infected cells. This decrease of p21 in infected cells was partially restored by proteasome inhibitors. These results suggest that HHV-6 causes perturbations in the normal progression of cell cycle in human T cells. Autophagy is a physiological cell process during which old cellular constituents and long-lived proteins in cells are degraded. This process is regulated in a cell cycle-dependent manner. We show here that infection with HHV-6 induces autophagy in HSB-2 cells. This was shown by the induction of LC-3 II as well as by the appearance of autophagic vacuoles in the virus-infected cells. However, we found that the virus inhibits fusion between autophagic vacuoles and lysosomes formed in infected cells, thus evading the autophagic response of infected host cells. Finally we tried to investigate replication of the virus in human cells in the absence of P53; a tumor suppressor gene which is also known as "the guardian of the genome ". During these investigations, we found that that inhibition of p53 gene expression mediated by siRNA as well as its inhibition by pharmacological inhibitors leads to massive cell death in human T cell line HSB-2 that carries a wild-type p53. We show that this death also occurs in another cell line CEM, which carries a transcriptionally mutated p53. Interestingly, the cell death could be prevented by pharmacological inhibitors of autophagy and necroptosis. Taken together, our results provide important novel insights concerning the impact of HHV-6 on cell cycle regulation and autophagy as well as of basal level p53 in cell survival.

Identification de modifications post-traductionnelles de Staufen1 et étude de leur fonction régulatrice

La régulation post-transcriptionnelle joue un rôle de premier plan dans le contrôle fin de l’expression génique en permettant une modulation de la synthèse de protéines dans le temps et l’espace, en fonction des besoins de la cellule. Ainsi, des protéines reconnaissant des éléments d’ARN présents sur des transcrits peuvent influencer toutes les étapes de leur existence, soit leur épissage, leur export nucléaire, leur localisation subcellulaire, leur traduction et leur dégradation. Staufen1 (Stau1) est un membre de la famille des protéines liant l’ARN double-brin qui contribue à la régulation post-transcriptionnelle par son implication dans des mécanismes qui vont promouvoir l’épissage alternatif, le transport, la dé-répression de la traduction et l’induction de la dégradation d’ARN messagers (ARNm) spécifiques. L’identité des cibles potentielles de Stau1 est maintenant connue puisqu’une étude à l’échelle du génome a montré que la protéine s’associe à près de 7% du transcriptome des cellules HEK293T. Ces ARNm se classent dans un large éventail de catégories fonctionnelles, mais il est tout de même intéressant de noter qu’une grande proportion d’entre eux code pour des protéines reliées au métabolisme cellulaire et à la régulation de processus cellulaires. En considérant toutes ces informations, nous avons émis l’hypothèse que les différentes activités de Stau1 puissent être modulées afin de contrôler adéquatement l’expression des transcrits liés par la protéine. Dans la mesure où certains ARNm faisant partie des complexes définis par la présence de Stau1 codent pour des régulateurs clés de la prolifération cellulaire, nous avons voulu examiner si l’expression de la protéine varie au cours du cycle de division cellulaire. Nous avons montré que l’abondance de Stau1 est maximale en début de mitose et qu’elle diminue ensuite lorsque les cellules complètent la division cellulaire. Nous avons ensuite découvert que cette baisse d’expression de Stau1 en sortie de mitose dépend du complexe promoteur d’anaphase/cyclosome (APC/C). En soutien à l’idée que Stau1 soit une cible de cette ubiquitine ligase de type E3, nous avons de plus démontré que Stau1 est ubiquitiné et dégradé par le protéasome. Ce contrôle des niveaux de Stau1 semble important puisque la surexpression de la protéine retarde la sortie de mitose et entraîne une diminution importante de la prolifération cellulaire. Par ailleurs, nous avons supposé que les différentes fonctions de Stau1 puissent également être sujettes à une régulation. Compte tenu que les activités de nombreuses protéines liant l’ARN peuvent être contrôlées par des modifications post-traductionnelles telles que la phosphorylation, nous avons voulu tester la possibilité que Stau1 soit phosphorylé. L’immunopurification de Stau1 et son analyse par spectrométrie de masse nous a permis d’identifier trois phosphosites dans la protéine. L’évaluation du rôle de ces événements de phosphorylation à l’aide de mutants phoshomimétiques ou non-phoshorylables a révélé que la modification de Stau1 pourrait compromettre son association à la protéine UPF1. Comme cette interaction est nécessaire pour déstabiliser les transcrits liés par Stau1, nos résultats suggèrent fortement que la fonction de Stau1 dans la dégradation d’ARNm est régulée négativement par sa phosphorylation. Toutes ces données mettent en lumière l’importance des modifications post-traductionnelles telles que l’ubiquitination et la phosphorylation dans la modulation de l’expression et des fonctions de Stau 1. Somme toute, il est vraisemblable que ces mécanismes de contrôle puissent avoir un impact significatif sur le destin des ARNm liés par Stau1, particulièrement dans un contexte de progression dans le cycle cellulaire.