Membrane protein production in the Yeast, S. cerevisiae

The first crystal structures of recombinant mammalian membrane proteins were solved in 2005 using protein that had been produced in yeast cells. One of these, the rabbit Ca2+-ATPase SERCA1a, was synthesized in Saccharomyces cerevisiae. All host systems have their specific advantages and disadvantages, but yeast has remained a consistently popular choice in the eukaryotic membrane protein field because it is quick, easy and cheap to culture, whilst being able to post-translationally process eukaryotic membrane proteins. Very recent structures of recombinant membrane proteins produced in S. cerevisiae include those of the Arabidopsis thaliana NRT1.1 nitrate transporter and the fungal plant pathogen lipid scramblase, TMEM16. This chapter provides an overview of the methodological approaches underpinning these successes.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Lipid analytic of environmental and cultural samples

Membrane lipids of marine planktonic archaea have provided unique insights into archaeal ecology and paleoceanography. However, past studies of archaeal lipids in suspended particulate matter (SPM) and sediments mainly focused on a small class of fully saturated glycerol dibiphytanyl glycerol tetraether (GDGT) homologues identified decades ago. The apparent low structural diversity of GDGTs is in strong contrast to the high diversity of metabolism and taxonomy among planktonic archaea. Furthermore, adaptation of archaeal lipids in the deep ocean remains poorly constrained. We report the archaeal lipidome in SPM from diverse oceanic regimes. We extend the known inventory of planktonic archaeal lipids to include numerous unsaturated archaeal ether lipids (uns-AELs). We further reveal i) different thermal regulations and polar headgroup compositions of membrane lipids between the epipelagic (<= 100 m) and deep (> 100 m) populations of archaea; ii) stratification of unsaturated GDGTs with varying redox conditions; and iii) enrichment of tetra-unsaturated archaeol and fully saturated GDGTs in epipelagic and deep oxygenated waters, respectively. Such stratified lipid patterns are consistent with the typical distribution of archaeal phylotypes in marine environments. We thus provide an ecological context for GDGT-based paleoclimatology and bring about the potential use of uns-AELs as biomarkers for planktonic Euryarchaeota. This article is protected by copyright. All rights reserved.

(Table 2) Lipid fluxes derived from sediment trap samples

Phytoplankton is a sentinel of marine ecosystem change. Composed by many species with different life-history strategies, it rapidly responds to environment changes. An analysis of the abundance of 54 phytoplankton species in Galicia (NW Spain) between 1989 and 2008 to determine the main components of temporal variability in relation to climate and upwelling showed that most of this variability was stochastic, as seasonality and long term trends contributed to relatively small fractions of the series. In general, trends appeared as non linear, and species clustered in 4 groups according to the trend pattern but there was no defined pattern for diatoms, dinoflagellates or other groups. While, in general, total abundance increased, no clear trend was found for 23 species, 14 species decreased, 4 species increased during the early 1990s, and only 13 species showed a general increase through the series. In contrast, series of local environmental conditions (temperature, stratification, nutrients) and climate-related variables (atmospheric pressure indices, upwelling winds) showed a high fraction of their variability in deterministic seasonality and trends. As a result, each species responded independently to environmental and climate variability, measured by generalized additive models. Most species showed a positive relationship with nutrient concentrations but only a few showed a direct relationship with stratification and upwelling. Climate variables had only measurable effects on some species but no common response emerged. Because its adaptation to frequent disturbances, phytoplankton communities in upwelling ecosystems appear less sensitive to changes in regional climate than other communities characterized by short and well defined productive periods.

Développement d'une méthode de prédiction de l'orientation et de l'insertion des protéines dans une membrane modèle

Les protéines membranaires intégrales jouent un rôle indispensable dans la survie des cellules et 20 à 30% des cadres de lectures ouverts codent pour cette classe de protéines. La majorité des protéines membranaires se trouvant sur la Protein Data Bank n’ont pas une orientation et une insertion connue. L’orientation, l’insertion et la conformation que les protéines membranaires ont lorsqu’elles interagissent avec une bicouche lipidique sont importantes pour la compréhension de leur fonction, mais ce sont des caractéristiques difficiles à obtenir par des méthodes expérimentales. Des méthodes computationnelles peuvent réduire le temps et le coût de l’identification des caractéristiques des protéines membranaires. Dans le cadre de ce projet de maîtrise, nous proposons une nouvelle méthode computationnelle qui prédit l’orientation et l’insertion d’une protéine dans une membrane. La méthode est basée sur les potentiels de force moyenne de l’insertion membranaire des chaînes latérales des acides aminés dans une membrane modèle composèe de dioléoylphosphatidylcholine.

Lipid Metabolism of Monosodium Glutamate Obese Rats after Partial Removal of Adipose Tissue

We analyzed the effects of partial fat pad removal on retroperitoneal and epididymal fat depots and carcass metabolism of control (C) and MSG-obese (M) rats. Three-month-old C and M male Wistar rats were submitted to either partial surgical excision of epididymal and retroperitoneal fat tissue (lipectomy, L) or sham surgery (S) and studied after 7 or 30 days. Retroperitoneal and epididymal tissue re-growth after lipectomy was not observed, as indicated by the low pads weight of the L groups. The lipolysis rate was stimulated in LC7 and LM7, probably due to surgical stress and low insulin levels. In LM7, but not in LC7, in vivo lipogenesis rate increased in retroperitoneal and epididymal fat tissue, as did the diet-derived lipid accumulation in epididymal fat tissue. Although these local increases were no longer present in LM30, this group showed a large increase in the percentage of small area adipocytes in both pads as well as increased carcass lipogenesis rate. The present data showed that the partial removal of fat depots affected the metabolism of control and MSG-obese rats differently. In the obese animals only, it stimulated both local and carcass lipogenesis rate as well as adipocyte differentiation, i.e. responses likely to favor excised tissue re-growth and/or compensatory growth of non-excised depots.

Single-molecule fluorescence resonance energy transfer study of SNARE-mediated membrane fusion

This is a comprehensive study of protein-mediated membrane fusion through single-molecule fluorescence resonance energy transfer (smFRET). Membrane fusion is one of the important cellular processes by which two initially distinct lipid bilayers merge their hydrophobic cores, resulting in one interconnected structure. For example, exocytosis, fertilization of an egg by a sperm and communication between neurons are a few among many processes that rely on some form of fusion. Proteins called soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor (SNARE) play a central role in fusion processes which is also regulated by many accessory proteins, such as synaptotagmin, complexin and Munc18. By a new lipid mixing method at the single-vesicle level, we are able to accurately detect different stages of SNARE-mediated membrane fusion including docking, hemi and full fusion via FRET value of single donor/acceptor vesicle pair. Through this single-vesicle lipid mixing assay, we discovered the vesicle aggregation induced by C2AB/Ca2+, the dual function of complexin, and the fusion promotion role of Munc18/SNARE-core binding mode. While this new method provides the information regarding the extent of the ensemble lipid mixing, the fusion pore opening between two vesicular cavities and the interaction between proteins cannot be detected. In order to overcome these limitations, we then developed a single-vesicle content mixing method to reveal the key factor of pore expansion by detecting the FRET change of dual-labeled DNA probes encapsulated in vesicles. Through our single-vesicle content mixing assay, we found the fusion pore expansion role of yeast SNAREs as well as neuronal SNAREs plus synaptotagmin 1.

Adipocyte size fluctuation, mechano-active lipid droplets and caveolae

International audience

Targeting and treatment of glioblastomas with human mesenchymal stem cells carrying ferrociphenol lipid nanocapsules

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Combined anti-Galectin-1 and anti-EGFR siRNA-loaded chitosan-lipid nanocapsules decrease temozolomide resistance in glioblastoma: In vivo evaluation

International audience

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Reactive clusters on a membrane

We investigate the reaction dynamics of diffusive molecules with immobile binding partners. The fixed reactants build clusters that comprise just a few tens of molecules, which leads to small cluster sizes. These molecules participate in the reaction only if they are activated. The dynamics of activation is mapped to a time-dependent size of an active region within the cluster. We focus on the deterministic description of the dynamics of a single cluster. The spatial setup accounts for one of the most important determinants of the dynamics of a cluster, i.e. diffusional transport of reaction partners toward or away from the active region of the cluster. We provide numerical and analytical evidence that diffusion influences decisively the dynamic regimes of the reactions. The application of our methods to intracellular Ca²⁺ dynamics shows that large local concentrations saturate the Ca²⁺ feedback to the channel state control. That eliminates oscillations depending on this feedback.

Preferential location of lidocaine and etidocaine in lecithin bilayers as determined by EPR, fluorescence and H-2 NMR

We have examined the effect of the uncharged species of lidocaine (LDC) and etidocaine (EDC) on the acyl chain moiety of egg phosphatidylcholine liposomes. Changes in membrane organization caused by both anesthetics were detected through the use of EPR spin labels (5, 7 and 12 doxyl stearic acid methyl ester) or fluorescence probes (4, 6, 10, 16 pyrene-fatty acids). The disturbance caused by the LA was greater when the probes were inserted in more external positions of the acyl chain and decreased towards the hydrophobic core of the membrane. The results indicate a preferential insertion of LDC at the polar interface of the bilayer and in the first half of the acyl chain, for EDC. Additionally, 2 H NMR spectra of multilamellar liposomes composed by acyl chain-perdeutero DMPC and EPC (1:4 mol%) allowed the determination of the segmental order (S-mol) and dynamics (T-1) of the acyl chain region. In accordance to the fluorescence and EPR results, changes in molecular orientation and dynamics are more prominent if the LA preferential location is more superficial, as for LDC while EDC seems to organize the acyl chain region between carbons 2-8, which is indicative of its positioning. We propose that the preferential location of LDC and EDC inside the bilayers creates a "transient site", which is related to the anesthetic potency since it could modulate the access of these molecules to their binding site(s) in the voltage-gated sodium channel. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

EFFECT OF INTERMITTENT FRYING ON FATTY ACIDS, VITAMIN E, LIPID OXIDATION AND ACRYLAMIDE IN OILS AND PLANTAIN CHIPS COLLECTED FROM SMALL- SCALE PRODUCERS IN CAMEROON

Deep-fat frying is susceptible to induce the formation of undesirable products as lipid oxidation products and acrylamide in fried foods. Plantain chips produced by small-scale producers are sold to consumers without any control. The objective of this study was to evaluate the quality of plantain chips from local producers in relation to production process parameters and oils, and to identify the limiting factors for the production of acrylamide in plantain chips. Samples of frying oils and plantain chips prepared with either palm olein or soybean oil were collected from 10 producers in Yaoundé. Quality parameters determined in this study were: fatty acid composition of the oils, determined by gas chromatography (GC) of free acid methyl ester; trans fatty acids, determined by Fourier transform infra-red spectroscopy; Tocopherols and tocotrienols as markers of nutritional quality were analyzed by High Performance Liquid Chromatography in isocratic mode. Free fatty acids and acylglycerols as markers of lipid hydrolysis were analyzed by GC of trimethylsilyl derivatives of glycerides. Conjugated dienes, Anisidine value and viscosity as markers of lipid oxidation and thermal decomposition of the oils; acrylamide which is formed through Maillard reaction and identified as a toxic compound in various fried products. Asparagine content of the raw fresh plantain powder was also determined. Fatty acid composition of palm oleins was stable within a day of intermittent frying. In soybean oils, about 57% and 62.5% of linoleic and linolenic acids were lost but trans fatty acids were not detected. Soybean oils were partly hydrolysed leading to the formation of free fatty acids, monoacylglycerols and diacylglycerols. In both oils, tocopherols and tocotrienols contents decreased significantly by about 50%. Anisidine value (AV) and polymers contents increased slightly in fried palm oleins while conjugated hydroperoxides, AV and polymers greatly increased in soybean oils. Acrylamide was not detected in the chips. This is explained by the absence of asparagine in the raw plantains, the other acrylamide precursors being present. This study shows that the plantain chips prepared at the small-scale level in Yaounde with palm olein are of good quality regarding oxidation and hydrolysis parameters and the absence of acrylamide. In contrast, oxidation developed with soybean oil whose usage for frying should be questioned. Considering that asparagine is the limiting factor for the formation of acrylamide in plantain chips, its content depending on several factors such as production parameters and maturity stage should be explored.

Diphenylhexatriene membrane probes DPH and TMA-DPH: A comparative molecular dynamics simulation study

Fluorescence spectroscopy andmicroscopy have been utilized as tools in membrane biophysics for decades now. Because phospholipids are non-fluorescent, the use of extrinsic membrane probes in this context is commonplace. Among the latter, 1,6-diphenylhexatriene (DPH) and its trimethylammonium derivative (TMA-DPH) have been extensively used. It is widely believed that, owing to its additional charged group, TMA-DPH is anchored at the lipid/water interface and reports on a bilayer region that is distinct from that of the hydrophobic DPH. In this study, we employ atomistic MD simulations to characterize the behavior of DPH and TMA-DPH in 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) and POPC/cholesterol (4:1) bilayers. We show that although the dynamics of TMA-DPH in thesemembranes is noticeably more hindered than that of DPH, the location of the average fluorophore of TMA-DPH is only ~3–4 Å more shallow than that of DPH. The hindrance observed in the translational and rotational motions of TMA-DPH compared to DPH is mainly not due to significant differences in depth, but to the favorable electrostatic interactions of the former with electronegative lipid atoms instead. By revealing detailed insights on the behavior of these two probes, our results are useful both in the interpretation of past work and in the planning of future experiments using themasmembrane reporters.