Desenvolupament d'eines d'alta ressolució per al cribatge (screening) de l'activitat de fàrmacs

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Satandford University, EEUU, entre 2007 i 2009. Els darrers anys, hi ha hagut un avanç espectacular en la tecnologia aplicada a l’anàlisi del genoma i del proteoma (microarrays, PCR quantitativa real time, electroforesis dos dimensions, espectroscòpia de masses, etc.) permetent la resolució de mostres complexes i la detecció quantitativa de diferents gens i proteïnes en un sol experiment. A més a més, la seva importància radica en la capacitat d’identificar potencials dianes terapèutiques i possibles fàrmacs, així com la seva aplicació en el disseny i desenvolupament de noves eines de diagnòstic. L’aplicabilitat de les tècniques actuals, però, està limitada al nivell al que el teixit pot ser disseccionat. Si bé donen valuosa informació sobre expressió de gens i proteïnes implicades en una malaltia o en resposta a un fàrmac per exemple, en cap cas, s’obté una informació in situ ni es pot obtenir informació espacial o una resolució temporal, així com tampoc s’obté informació de sistemes in vivo. L’objectiu d’aquest projecte és desenvolupar i validar un nou microscopi, d’alta resolució, ultrasensible i de fàcil ús, que permeti tant la detecció de metabòlits, gens o proteïnes a la cèl•lula viva en temps real com l’estudi de la seva funció. Obtenint així una descripció detallada de les interaccions entre proteïnes/gens que es donen dins la cèl•lula. Aquest microscopi serà un instrument sensible, selectiu, ràpid, robust, automatitzat i de cost moderat que realitzarà processos de cribatge d’alt rendiment (High throughput screening) genètics, mèdics, químics i farmacèutics (per aplicacions diagnòstiques i de identificació i selecció de compostos actius) de manera més eficient. Per poder realitzar aquest objectius el microscopi farà ús de les més noves tecnologies: 1)la microscopia òptica i d’imatge, per millorar la visualització espaial i la sensibilitat de l’imatge; 2) la utilització de nous mètodes de detecció incloent els més moderns avanços en nanopartícules; 3) la creació de mètodes informàtics per adquirir, emmagatzemar i processar les imatges obtingudes.

Zymogen activation and subcellular activity of subtilisin kexin isozyme 1/site 1 protease.

The proprotein convertase subtilisin kexin isozyme 1 (SKI-1)/site 1 protease (S1P) plays crucial roles in cellular homeostatic functions and is hijacked by pathogenic viruses for the processing of their envelope glycoproteins. Zymogen activation of SKI-1/S1P involves sequential autocatalytic processing of its N-terminal prodomain at sites B'/B followed by the herein newly identified C'/C sites. We found that SKI-1/S1P autoprocessing results in intermediates whose catalytic domain remains associated with prodomain fragments of different lengths. In contrast to other zymogen proprotein convertases, all incompletely matured intermediates of SKI-1/S1P showed full catalytic activity toward cellular substrates, whereas optimal cleavage of viral glycoproteins depended on B'/B processing. Incompletely matured forms of SKI-1/S1P further process cellular and viral substrates in distinct subcellular compartments. Using a cell-based sensor for SKI-1/S1P activity, we found that 9 amino acid residues at the cleavage site (P1-P8) and P1' are necessary and sufficient to define the subcellular location of processing and to determine to what extent processing of a substrate depends on SKI-1/S1P maturation. In sum, our study reveals novel and unexpected features of SKI-1/S1P zymogen activation and subcellular specificity of activity toward cellular and pathogen-derived substrates.

Taille et localisation des anévrismes intracraniens rompus et facteurs de risque de rupture

Question de recherche : Est-ce que la limite de taille de 7 mm d'un anévrisme intracrânien non rompu¦proposée par les études internationales est un critère valable de sélection entre un traitement¦conservateur (observation périodique) ou une intervention curative sur la population du CHUV ?¦Contexte : On estime actuellement la fréquence des anévrismes intracrâniens à 0.2-9% dans la¦population générale. Le taux d'hémorragie sous-arachnoïdienne due à une rupture d'anévrisme est¦estimé à 6-16 pour 100'000 personnes.¦Selon les investigateurs de l'International Study of Unruptured Intracranial Aneurysms (ISUIA, 2003),¦le taux cumulé de rupture à 5 ans pour les anévrismes de moins de 7 mm de diamètre est de 0.05% ou¦2.5% selon que l'anévrisme se situe sur une artère de la circulation cérébrale antérieure ou postérieure,¦respectivement.¦Ces chiffres sont fortement controversés. En effet, d'autres études montrent que le risque de rupture des¦anévrismes inférieurs à 7 mm de diamètre est bien plus important que ne le laisse supposer l'étude¦ISUIA.¦Objectifs : L'objectif de ce travail de maîtrise vise à déterminer si la limite de taille de 7 mm d'un¦anévrisme cérébral non rompu proposé par certaines études internationales (et notamment l'étude¦ISUIA) est un critère valable pour sélectionner entre une observation périodique ou une intervention¦curative (chirurgicale ou endovasculaire) des patients.¦Un corollaire qui découle de cette question est de savoir s'il est justifié de traiter d'emblée un¦anévrisme cérébral non rompu mesurant moins de 7 mm.¦Matériel et Méthodes : Etude rétrospective observationnelle basée sur des données provenant des¦dossiers médicaux des patients admis aux urgences du CHUV avec une hémorragie sousarachnoïdienne¦due à la rupture d'un anévrisme intracrânien pendant une période allant de juin 2005 à¦avril 2011.¦Différents paramètres sont pris en considération : l'âge et le sexe du patient, la taille, la localisation et le¦nombre d'anévrismes, les facteurs de risque de rupture comme le tabac, l'hypertension artérielle et la¦consommation d'alcool, ainsi que les antécédents et l'histoire familiale de rupture d'anévrisme.¦Le critère de jugement principal est la taille de l'anévrisme, suivi par sa localisation.¦Les critères d'exclusion des patients sont les suivants : anévrismes mycotique, fusiforme ou¦traumatique, tumeur cérébrale maligne.¦Résultats escomptés : Avec ce travail, une nouvelle limite de diamètre anévrismal pourrait être¦proposée, en tenant compte des différents paramètres analysés sur un échantillon de la population¦locale. Les résultats pourraient apporter plus de précisions dans le bilan du risque d'une rupture¦anévrismale. Ainsi, la décision d'une intervention bénéficierait d'une base de réflexion nouvelle pour¦les anévrismes non rompus de petite taille.¦Plus-value escomptée : Cette étude pourrait contribuer à améliorer le pronostic des patients porteurs¦d'anévrisme(s) intracrânien(s). Elle permettrait en effet d'intervenir en cas d'anévrismes intracrâniens¦non rompus de taille inférieure à 7 mm, avant que ceux-ci ne se rompent et provoquent une hémorragie¦sous-arachnoïdienne.

Subcellular localization of an intracellular serine protease of 68 kDa in Leishmania (Leishmania) amazonensis promastigotes

Here we report the subcellular localization of an intracellular serine protease of 68 kDa in axenic promastigotes of Leishmania (Leishmania) amazonensis, using subcellular fractionation, enzymatic assays, immunoblotting, and immunocytochemistry. All fractions were evaluated by transmission electron microscopy and the serine protease activity was measured during the cell fractionation procedure using a-N-r-tosyl-L-arginine methyl ester (L-TAME) as substrate, phenylmethylsulphone fluoride (PMSF) and L-1-tosylamino-2-phenylethylchloromethylketone (TPCK) as specific inhibitors. The enzymatic activity was detected mainly in a membranous vesicular fraction (6.5-fold enrichment relative to the whole homogenate), but also in a crude plasma membrane fraction (2.0-fold). Analysis by SDS-PAGE gelatin under reducing conditions demonstrated that the major proteolytic activity was found in a 68 kDa protein in all fractions studied. A protein with identical molecular weight was also recognized in immunoblots by a polyclonal antibody against serine protease (anti-SP), with higher immunoreactivity in the vesicular fraction. Electron microscopic immunolocalization using the same polyclonal antibody showed the enzyme present at the cell surface, as well as in cytoplasmic membranous compartments of the parasite. Our findings indicate that the internal location of this serine protease in L. amazonensis is mainly restricted to the membranes of intracellular compartments resembling endocytic/exocytic elements.

Subcellular localization, distribution and expression of calmodulin in Zea mays roots.

The subcellular localization, distribution and the steady state level of calmodulin from maize roots (Zea mays L., cv. LG 11) were studied. To analyze the subcellular localization, 2-day old root membranes were fractionated by sucrose density gradient centrifugation and immunoblotting was done with an antibody raised against a vertebrate calmodulin (SWant) which recognized the plant calmodulin. Calmodulin was principally associated with high density fractions and particularly plasmalemma. For studying the distribution of calmodulin in various zones of Zea mays roots, a micro method of membrane preparation was developed. Most of the calmodulin was present in microsomes isolated from the root apex corresponding to the first 4 mm of a 15 +/- 2 mm root. An identical distribution was found by studying the steady state level of the protein by Northern blotting using a cDNA clone of Zea mays calmodulin.

Bioacumulació de 210Po a nivell subcel·lular

S’ha analitzat la concentració de 210Po en les fraccions subcel·lulars en òrgans digestius per diferents espècies de peixos. S’ha determinat que al voltant d'un 50% del 210Po es concentra en la fracció de citoplasma. La fracció de citoplasma es va separar en diferents especiacions químiques on es va determinar que la fracció de proteïna era la més enriquida en 210Po amb un 69%. Per una altra banda s'han estudiat les concentracions de metalls (Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb i Hg) en relació a la concentració de 210Po on s'ha trobat una correlació entre el 210Po i els metalls de Fe i Hg per als teixits de les espècies estudiades. També s'han analitzat les concentracions de metalls respecte a la fracció de citoplasma i s'ha relacionat amb la concentració de 210Po. Amb metalls com Fe, Cu, Ni i Hg analitzats s'ha trobat una relació front a la concentració de 210Po.

Functional diversification of duplicate genes through subcellular adaptation of encoded proteins.

BACKGROUND: Gene duplication is the primary source of new genes with novel or altered functions. It is known that duplicates may obtain these new functional roles by evolving divergent expression patterns and/or protein functions after the duplication event. Here, using yeast (Saccharomyces cerevisiae) as a model organism, we investigate a previously little considered mode for the functional diversification of duplicate genes: subcellular adaptation of encoded proteins. RESULTS: We show that for 24-37% of duplicate gene pairs derived from the S. cerevisiae whole-genome duplication event, the two members of the pair encode proteins that localize to distinct subcellular compartments. The propensity of yeast duplicate genes to evolve new localization patterns depends to a large extent on the biological function of their progenitor genes. Proteins involved in processes with a wider subcellular distribution (for example, catabolism) frequently evolved new protein localization patterns after duplication, whereas duplicate proteins limited to a smaller number of organelles (for example, highly expressed biosynthesis/housekeeping proteins with a slow rate of evolution) rarely relocate within the cell. Paralogous proteins evolved divergent localization patterns by partitioning of ancestral localizations ('sublocalization'), but probably more frequently by relocalization to new compartments ('neolocalization'). We show that such subcellular reprogramming may occur through selectively driven substitutions in protein targeting sequences. Notably, our data also reveal that relocated proteins functionally adapted to their new subcellular environments and evolved new functional roles through changes of their physico-chemical properties, expression levels, and interaction partners. CONCLUSION: We conclude that protein subcellular adaptation represents a common mechanism for the functional diversification of duplicate genes.

Indoor localisation with Android devices

This project analyses WiFiSLAM, an indoor positioning system for mobile phones that tries to estimate the position by analysing WiFi signals.

Modified SH2 domain to phototrap and identify phosphotyrosine proteins from subcellular sites within cells.

Spatial regulation of tyrosine phosphorylation is important for many aspects of cell biology. However, phosphotyrosine accounts for less than 1% of all phosphorylated substrates, and it is typically a very transient event in vivo. These factors complicate the identification of key tyrosine kinase substrates, especially in the context of their extraordinary spatial organization. Here, we describe an approach to identify tyrosine kinase substrates based on their subcellular distribution from within cells. This method uses an unnatural amino acid-modified Src homology 2 (SH2) domain that is expressed within cells and can covalently trap phosphotyrosine proteins on exposure to light. This SH2 domain-based photoprobe was targeted to cellular structures, such as the actin cytoskeleton, mitochondria, and cellular membranes, to capture tyrosine kinase substrates unique to each cellular region. We demonstrate that RhoA, one of the proteins associated with actin, can be phosphorylated on two tyrosine residues within the switch regions, suggesting that phosphorylation of these residues might modulate RhoA signaling to the actin cytoskeleton. We conclude that expression of SH2 domains within cellular compartments that are capable of covalent phototrapping can reveal the spatial organization of tyrosine kinase substrates that are likely to be important for the regulation of subcellular structures.

Molecular characterization of Unc5CL/ZUD

Résumé : Au cours de l'évolution, les organismes multicellulaires ont développé le système immunitaire afin de pouvoir se défendre contre les pathogènes tel que les bactéries, les virus, et les parasites. La réponse immunitaire doit être finement régulée par différentes voies de signalisation moléculaire, afin d'assurer une efficacité optimale, et d'éviter des dommages tissulaires indésirables. Les résultats expérimentaux décrits dans ce manuscrit, mettent en évidence que la protéine Unc5CL, qui contient un death domain (DD), est impliquée dans la régulation de la réponse immunitaire des muqueuses. Il a été démontré que cette protéine contient aussi un domaine transmembranaire de type III dans sa partie N-terminale, permettant ainsi de l'ancrer et d'exposer sa partie C-terminale dans le cytosol, un prérequis pour la signalisation dans ce compartiment cellulaire. De plus, cette protéine a la capacité d'activer le facteur de transcription NFxB, qui joue un rôle important dans le système immunitaire, ainsi que dans d'autres processus cellulaires essentiels. Le profil transcriptionnel révèle que l'activation de NF-κB induite par Unc5CL conduit principalement à une réponse inflammatoire, qui se caractérise par la production de diverses chimiokines (e.g. CXCL-1, IL-8 et CCL20). Il a également été démontré que Unc5CL requiert les mêmes molécules qui sont utilisées dans la voie de signalisation des récepteurs de la famille toll et de l'interleukine-1. De manière similaire à leur protéine adaptatrice MyD88, Unc5CL a la capacité de recruter, via une interaction homotypique DD-DD, les kinases IRAK1 et IRAK4 qui contiennent elles aussi un DD, permettant ainsi au signal d'être transmis. La production d'un anticorps polyclonal contre le DD de Unc5CL a permis d'identifier des lignées cellulaires et des tissus exprimant cette protéine, ainsi que de déterminer sa localisation sub-cellulaire. Unc5CL a été détecté dans les cellules de la muqueuse utérine et intestinale, ainsi que dans une lignée cellulaire issue d'un adénocarcinome colorectal humain, les CaCo-2. Dans chacun de ces cas, Unc5CL a été principalement détectée au niveau apical des cellules épithéliales polarisées. De manière similaire à PIDD, une protéine impliquée dans la réponse aux dommages à l'ADN, et au constituant des pores nucléaires Nup98, Unc5CL est constitutivement clivé de manière autoprotéolytique, au niveau d'un site HFS. Il est intéressant d'observer que les deux fragments ainsi générés restent fortement associés l'un à l'autre après clivage. Finalement, un criblage protéomique pour identifier un partenaire d'interaction, a mis en évidence l'ubiquitin ligase E3 ITCH, qui régule de manière négative Unc5CL en augmentant sa dégradation. Summary : Multicellular organisms have evolved the immune system in order to defend themselves against pathogens such as bacteria, viruses and eukaryotic parasites. Immune responses have to be tightly orchestrated by signaling mechanisms to achieve optimal effectiveness and minimal tissue damage. The experimental results in this thesis manuscript provide evidence that the death domain (DD)-containing protein Unc5CL might be involved in the regulation of mucosal immune responses. It could be shown that the protein contains an N-terminal type-III transmembrane domain that anchors the protein with its C-terminus exposed to the cytosol, a prerequisite for signaling events in this compartment. Furthermore, the protein has the capacity to activate the transcription factor NF-κB, which plays an important role in the immune system as well as in other essential cellular processes. Transcriptional profiling revealed that Unc5CL-mediated activation of NF-κB mainly leads to an inflammatory response, characterized by the production of chemokines (e.g. CXCL-l, IL-8 and CCL20). Furthermore, it could be shown that Unc5CL requires the same downstream signaling molecules as the evolutionarily ancient tolUinterleukin-1 receptor family. Similar to their adapter protein MyD88, Unc5CL has the capacity to recruit the DD-containing kinases IRAKI and IRAK4 for signaling and can interact with these proteins via homotypic DD-DD interactions. Generation of polyclonal antibodies raised against the DD of Unc5CL allowed the identification of cell lines and tissues that express the endogenous protein as well as to confine its subcellular localization. Unc5CL was detected in primary mucosal uterine and intestinal epithelial cells as well as in the human colorectal adenocarcinoma cell line CaCo-2. In all cases, the protein was mainly localized to the apical face of these polarized epithelial cells. Similar to PIDD, a protein critically involved in responses to DNA damage, and the nuclear pore component Nup98, Unc5CL is constitutively autoproteolytically processed at an HFS site. Interestingly, the two generated cleavage fragments remain tightly associated after processing. Finally, a proteomics screen for interaction partners identified the E3 ubiquitin ligase ITCH as a negative regulator of Unc5CL by targeting the protein for degradation.

In vivo localisation of radiolabelled monoclonal antibody in human gliomas.

F(ab')2-fragments of the anti-melanoma monoclonal antibody MeI-14 were labelled with 123I for external scanning and with 125I for tissue measurement of radioactivity and injected intravenously into patients scheduled for surgical resection of a glioma. The paired-label study was performed by injecting simultaneously 131I-labelled control (F(ab')2-fragments. The patients were scanned by computerised tomoscintigraphy. After surgery, the activities of 125I and 131I were counted in tumour and normal tissues. The results indicate that there was a low but definite uptake of the antibody in the tumour due to its specificity. The external detection was difficult because of accumulation of antibody fragments in the skull.

Patterns of plant subcellular responses to successful oomycete infections reveal differences in host cell reprogramming and endocytic trafficking.

Adapted filamentous pathogens such as the oomycetes Hyaloperonospora arabidopsidis (Hpa) and Phytophthora infestans (Pi) project specialized hyphae, the haustoria, inside living host cells for the suppression of host defence and acquisition of nutrients. Accommodation of haustoria requires reorganization of the host cell and the biogenesis of a novel host cell membrane, the extrahaustorial membrane (EHM), which envelops the haustorium separating the host cell from the pathogen. Here, we applied live-cell imaging of fluorescent-tagged proteins labelling a variety of membrane compartments and investigated the subcellular changes associated with accommodating oomycete haustoria in Arabidopsis and N. benthamiana. Plasma membrane-resident proteins differentially localized to the EHM. Likewise, secretory vesicles and endosomal compartments surrounded Hpa and Pi haustoria revealing differences between these two oomycetes, and suggesting a role for vesicle trafficking pathways for the pathogen-controlled biogenesis of the EHM. The latter is supported by enhanced susceptibility of mutants in endosome-mediated trafficking regulators. These observations point at host subcellular defences and specialization of the EHM in a pathogen-specific manner. Defence-associated haustorial encasements, a double-layered membrane that grows around mature haustoria, were frequently observed in Hpa interactions. Intriguingly, all tested plant proteins accumulated at Hpa haustorial encasements suggesting the general recruitment of default vesicle trafficking pathways to defend pathogen access. Altogether, our results show common requirements of subcellular changes associated with oomycete biotrophy, and highlight differences between two oomycete pathogens in reprogramming host cell vesicle trafficking for haustoria accommodation. This provides a framework for further dissection of the pathogen-triggered reprogramming of host subcellular changes.