Evolving nature of the AP2 alpha-appendage hub during clathrin-coated vesicle endocytosis

Clathrin-mediated endocytosis involves the assembly of a network of proteins that select cargo, modify membrane shape and drive invagination, vesicle scission and uncoating. This network is initially assembled around adaptor protein (AP) appendage domains, which are protein interaction hubs. Using crystallography, we show that FxDxF and WVxF peptide motifs from synaptojanin bind to distinct subdomains on alpha-appendages, called 'top' and 'side' sites. Appendages use both these sites to interact with their binding partners in vitro and in vivo. Occupation of both sites simultaneously results in high-affinity reversible interactions with lone appendages (e.g. eps15 and epsin1). Proteins with multiple copies of only one type of motif bind multiple appendages and so will aid adaptor clustering. These clustered alpha(appendage)-hubs have altered properties where they can sample many different binding partners, which in turn can interact with each other and indirectly with clathrin. In the final coated vesicle, most appendage binding partners are absent and thus the functional status of the appendage domain as an interaction hub is temporal and transitory giving directionality to vesicle assembly.

COP and clathrin-coated vesicle budding:different pathways, common approaches

Vesicle and tubule transport containers move proteins and lipids from one membrane system to another. Newly forming transport containers frequently have electron-dense coats. Coats coordinate the accumulation of cargo and sculpt the membrane. Recent advances have shown that components of both COP1 and clathrin-adaptor coats share the same structure and the same motif-based cargo recognition and accessory factor recruitment mechanisms, which leads to insights on conserved aspects of coat recruitment, polymerisation and membrane deformation. These themes point to the way in which evolutionarily conserved features underpin these diverse pathways.

EpsinR an AP1/clathrin interacting protein involved in vesicle trafficking

EpsinR is a clathrin-coated vesicle (CCV) enriched 70-kD protein that binds to phosphatidylinositol-4-phosphate, clathrin, and the gamma appendage domain of the adaptor protein complex 1 (AP1). In cells, its distribution overlaps with the perinuclear pool of clathrin and AP1 adaptors. Overexpression disrupts the CCV-dependent trafficking of cathepsin D from the trans-Golgi network to lysosomes and the incorporation of mannose-6-phosphate receptors into CCVs. These biochemical and cell biological data point to a role for epsinR in AP1/clathrin budding events in the cell, just as epsin1 is involved in the budding of AP2 CCVs. Furthermore, we show that two gamma appendage domains can simultaneously bind to epsinR with affinities of 0.7 and 45 microM, respectively. Thus, potentially, two AP1 complexes can bind to one epsinR. This high affinity binding allowed us to identify a consensus binding motif of the form DFxDF, which we also find in gamma-synergin and use to predict that an uncharacterized EF-hand-containing protein will be a new gamma binding partner.

An endophilin-dynamin complex promotes budding of clathrin-coated vesicles during synaptic vesicle recycling

Clathrin-mediated vesicle recycling in synapses is maintained by a unique set of endocytic proteins and interactions. We show that endophilin localizes in the vesicle pool at rest and in spirals at the necks of clathrin-coated pits (CCPs) during activity in lamprey synapses. Endophilin and dynamin colocalize at the base of the clathrin coat. Protein spirals composed of these proteins on lipid tubes in vitro have a pitch similar to the one observed at necks of CCPs in living synapses, and lipid tubules are thinner than those formed by dynamin alone. Tubulation efficiency and the amount of dynamin recruited to lipid tubes are dramatically increased in the presence of endophilin. Blocking the interactions of the endophilin SH3 domain in situ reduces dynamin accumulation at the neck and prevents the formation of elongated necks observed in the presence of GTPγS. Therefore, endophilin recruits dynamin to a restricted part of the CCP neck, forming a complex, which promotes budding of new synaptic vesicles.

Eps15 and Dap160 control synaptic vesicle membrane retrieval and synapse development

Epidermal growth factor receptor pathway substrate clone 15 (Eps15) is a protein implicated in endocytosis, endosomal protein sorting, and cytoskeletal organization. Its role is, however, still unclear, because of reasons including limitations of dominant-negative experiments and apparent redundancy with other endocytic proteins. We generated Drosophila eps15-null mutants and show that Eps15 is required for proper synaptic bouton development and normal levels of synaptic vesicle (SV) endocytosis. Consistent with a role in SV endocytosis, Eps15 moves from the center of synaptic boutons to the periphery in response to synaptic activity. The endocytic protein, Dap160/intersectin, is a major binding partner of Eps15, and eps15 mutants phenotypically resemble dap160 mutants. Analyses of eps15 dap160 double mutants suggest that Eps15 functions in concert with Dap160 during SV endocytosis. Based on these data, we hypothesize that Eps15 and Dap160 promote the efficiency of endocytosis from the plasma membrane by maintaining high concentrations of multiple endocytic proteins, including dynamin, at synapses.

Amphiphysin is a component of clathrin coats formed during synaptic vesicle recycling at the lamprey giant synapse

Amphiphysin is a protein enriched at mammalian synapses thought to function as a clathrin accessory factor in synaptic vesicle endocytosis. Here we examine the involvement of amphiphysin in synaptic vesicle recycling at the giant synapse in the lamprey. We show that amphiphysin resides in the synaptic vesicle cluster at rest and relocates to sites of endocytosis during synaptic activity. It accumulates at coated pits where its SH3 domain, but not its central clathrin/AP-2-binding (CLAP) region, is accessible for antibody binding. Microinjection of antibodies specifically directed against the CLAP region inhibited recycling of synaptic vesicles and caused accumulation of clathrin-coated intermediates with distorted morphology, including flat patches of coated presynaptic membrane. Our data provide evidence for an activity-dependent redistribution of amphiphysin in intact nerve terminals and show that amphiphysin is a component of presynaptic clathrin-coated intermediates formed during synaptic vesicle recycling.

Colocalization of synapsin and actin during synaptic vesicle recycling

It has been hypothesized that in the mature nerve terminal, interactions between synapsin and actin regulate the clustering of synaptic vesicles and the availability of vesicles for release during synaptic activity. Here, we have used immunogold electron microscopy to examine the subcellular localization of actin and synapsin in the giant synapse in lamprey at different states of synaptic activity. In agreement with earlier observations, in synapses at rest, synapsin immunoreactivity was preferentially localized to a portion of the vesicle cluster distal to the active zone. During synaptic activity, however, synapsin was detected in the pool of vesicles proximal to the active zone. In addition, actin and synapsin were found colocalized in a dynamic filamentous cytomatrix at the sites of synaptic vesicle recycling, endocytic zones. Synapsin immunolabeling was not associated with clathrin-coated intermediates but was found on vesicles that appeared to be recycling back to the cluster. Disruption of synapsin function by microinjection of antisynapsin antibodies resulted in a prominent reduction of the cytomatrix at endocytic zones of active synapses. Our data suggest that in addition to its known function in clustering of vesicles in the reserve pool, synapsin migrates from the synaptic vesicle cluster and participates in the organization of the actin-rich cytomatrix in the endocytic zone during synaptic activity.

The Na+/H+ exchanger Nhx1 of Saccharomyces cerevisiae is essential to limit drug toxicity

Nhx1 est un antiport vacuolaire de Na+/H+ chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Nhx1 joue un rôle important dans le maintien de l’homéostasie ionique du cytoplasme de la cellule. En effet, la mutation du gène NHX1 chez la levure nhx1Δ entraîne une perte de l’homéostasie cellulaire quand les cellules sont cultivées dans un milieu de faible osmolarité. Ce travail rapporte pour la première fois, et contrairement à la cellule parentale, que la mutation du gène NHX1 a pour effet une sensibilité du mutant nhx1Δ à une variété des drogues et des agents cationiques et anioniques lorsque les cellules sont cultivées dans un milieu riche. En outre, dans ces conditions de culture, aucune sensibilité n’a été observée chez le mutant nhx1Δ quand les cellules sont traitées avec différentes concentrations de sel. Nous avons aussi démontré que la sensibilité du mutant nhx1Δ aux différents agents ainsi que la sécrétion de l’enzyme carboxypeptidase Y observé chez ce mutant n’ont pas été restauré lorsque les cellules sont cultivées dans des milieux avec différents pH ou avec différentes concentrations de sel. Enfin, une analyse génétique a révélé que le mutant nhx1Δ montre un phénotype distinct d’autres mutants qui ont un défaut dans le trafic entre le compartiment pré-vacuolaire et l’appareil de Golgi quand ces cellules sont traitées avec différents agents. Cette analyse prouve que la sensibilité de nhx1Δ aux différents agents n’est pas liée au trafic entre le compartiment pré-vacuolaire et l’appareil de Golgi.

Étude des voies d’apprêtement des antigènes viraux menant à la présentation antigénique par les CMH de classe I

Le contrôle immunitaire des infections virales est effectué, en grande partie, par les lymphocytes T CD8+ cytotoxiques. Pour y parvenir, les lymphocytes T CD8+ doivent être en mesure de reconnaître les cellules infectées et de les éliminer. Cette reconnaissance des cellules infectées s’effectue par l’interaction du récepteur T (TCR) des lymphocytes T CD8+ et des peptides viraux associés au complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) de classe I à la surface des cellules hôtes. Cette interaction constitue l’élément déclencheur permettant l’élimination de la cellule infectée. On comprend donc toute l’importance des mécanismes cellulaires menant à la génération des peptides antigéniques à partir des protéines virales produites au cours d’une infection. La vision traditionnelle de cet apprêtement protéique menant à la présentation d’antigènes par les molécules du CMH propose deux voies cataboliques distinctes. En effet, il est largement admis que les antigènes endogènes sont apprêtés par la voie dite ‘‘classique’’ de présentation antigénique par les CMH de classe I. Cette voie implique la dégradation des antigènes intracellulaires par le protéasome dans le cytoplasme, le transport des peptides résultant de cette dégradation à l’intérieur du réticulum endoplasmique, leur chargement sur les molécules du CMH de classe I et finalement le transport des complexes peptide-CMH à la surface de la cellule où ils pourront activer les lymphocytes T CD8+. Dans la seconde voie impliquant des antigènes exogènes, le dogme veut que ceux-ci soient apprêtés par les protéases du compartiment endovacuolaire. Les peptides ainsi générés sont directement chargés sur les molécules de CMH de classe II à l’intérieur de ce compartiment. Par la suite, des mécanismes de recyclage vésiculaire assurent le transport des complexes peptide-CMH de classe II à la surface de la cellule afin de stimuler les lymphocytes T CD4+. Cependant, cette stricte ségrégation des voies d’apprêtement antigénique a été durement éprouvée par la capacité des cellules présentatrices d’antigènes à effectuer l’apprêtement d’antigènes exogènes et permettre leur présentation sur des molécules de CMH de classe I. De plus, l’identification récente de peptides d’origine intracellulaire associés à des molécules de CMH de classe II a clairement indiqué la présence d’interactions entre les deux voies d’apprêtement antigénique permettant de transgresser le dogme préalablement établi. L’objectif du travail présenté ici était de caractériser les voies d’apprêtement antigénique menant à la présentation d’antigènes viraux par les molécules du CMH de classe I lors d’une infection par le virus de l’Herpès simplex de type I (HSV-1). Dans les résultats rapportés ici, nous décrivons une nouvelle voie d’apprêtement antigénique résultant de la formation d’autophagosomes dans les cellules infectées. Cette nouvelle voie permet le transfert d’antigènes viraux vers un compartiment vacuolaire dégradatif dans la phase tardive de l’infection par le virus HSV-1. Cette mise en branle d’une seconde voie d’apprêtement antigénique permet d’augmenter le niveau de présentation de la glycoprotéine B (gB) virale utilisée comme modèle dans cette étude. De plus, nos résultats décrivent la formation d’une nouvelle forme d’autophagosomes dérivés de l’enveloppe nucléaire en réponse à l’infection par le virus HSV-1. Ces nouveaux autophagosomes permettent le transfert d’antigènes viraux vers un compartiment vacuolaire lytique, action également assurée par les autophagosomes dits classiques. Dans la deuxième partie du travail présenté ici, nous utilisons l’infection par le virus HSV-1 et la production de la gB qui en résulte pour étudier le trafic membranaire permettant le transfert de la gB vers un compartiment vacuolaire dégradatif. Nos résultats mettent en valeur l’importance du réticulum endoplasmique, et des compartiments autophagiques qui en dérivent, dans ces mécanismes de transfert antigénique permettant d’amplifier la présentation antigénique de la protéine virale gB sur des CMH de classe I via une voie vacuolaire. L’ensemble de nos résultats démontrent également une étroite collaboration entre la voie classique de présentation antigénique par les CMH de classe I et la voie vacuolaire soulignant, encore une fois, la présence d’interaction entre les deux voies.

Étude de l'implication des navettes du pyruvate découlant du métabolisme mitochondrial du glucose dans la régulation de la sécrétion d'insuline par les cellules bêta pancréatiques

Le diabète est une maladie métabolique qui se caractérise par une résistance à l’insuline des tissus périphériques et par une incapacité des cellules β pancréatiques à sécréter les niveaux d’insuline appropriés afin de compenser pour cette résistance. Pour mieux comprendre les mécanismes déficients dans les cellules β des patients diabétiques, il est nécessaire de comprendre et de définir les mécanismes impliqués dans le contrôle de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Dans les cellules β pancréatiques, le métabolisme du glucose conduit à la production de facteurs de couplage métabolique, comme l’ATP, nécessaires à la régulation de l’exocytose des vésicules d’insuline. Le mécanisme par lequel la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose déclenche l’exocytose des vésicules d’insuline est bien décrit dans la littérature. Cependant, il ne peut à lui seul réguler adéquatement la sécrétion d’insuline. Le malonyl-CoA et le NADPH sont deux autres facteurs de couplage métaboliques qui ont été suggérés afin de relier le métabolisme du glucose à la régulation de la sécrétion d’insuline. Les mécanismes impliqués demeurent cependant à être caractérisés. Le but de la présente thèse était de déterminer l’implication des navettes du pyruvate, découlant du métabolisme mitochondrial du glucose, dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans les cellules β, les navettes du pyruvate découlent de la combinaison des processus d’anaplérose et de cataplérose et permettent la transduction des signaux métaboliques provenant du métabolisme du glucose. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés au rôle de la navette pyruvate/citrate dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose, puisque cette navette conduit à la production dans le cytoplasme de deux facteurs de couplage métabolique, soit le malonyl-CoA et le NADPH. De plus, la navette pyruvate/citrate favorise le flux métabolique à travers la glycolyse en réoxydation le NADH. Une étude effectuée précédemment dans notre laboratoire avait suggéré la présence de cette navette dans les cellules β pancréatique. Afin de tester notre hypothèse, nous avons ciblé trois étapes de cette navette dans la lignée cellulaire β pancréatique INS 832/13, soit la sortie du citrate de la mitochondrie et l’activité de l’ATP-citrate lyase (ACL) et l’enzyme malique (MEc), deux enzymes clés de la navette pyruvate/citrate. L’inhibition de chacune de ces étapes par l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique ou de la technologie des ARN interférant a corrélé avec une réduction significative de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Les résultats obtenus suggèrent que la navette pyruvate/citrate joue un rôle critique dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Parallèlement à notre étude, deux autres groupes de recherche ont suggéré que les navettes pyruvate/malate et pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate étaient aussi importantes pour la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ainsi, trois navettes découlant du métabolisme mitochondrial du glucose pourraient être impliquées dans le contrôle de la sécrétion d’insuline. Le point commun de ces trois navettes est la production dans le cytoplasme du NADPH, un facteur de couplage métabolique possiblement très important pour la sécrétion d’insuline. Dans les navettes pyruvate/malate et pyruvate/citrate, le NADPH est formé par MEc, alors que l’isocitrate déshydrogénase (IDHc) est responsable de la production du NADPH dans la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate. Dans notre première étude, nous avions démontré l’importance de l’expression de ME pour la sécrétion adéquate d’insuline en réponse au glucose. Dans notre deuxième étude, nous avons testé l’implication de IDHc dans les mécanismes de régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. La diminution de l’expression de IDHc dans les INS 832/13 a stimulé la sécrétion d’insuline en réponse au glucose par un mécanisme indépendant de la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose. Ce résultat a ensuite été confirmé dans les cellules dispersées des îlots pancréatiques de rat. Nous avons aussi observé dans notre modèle que l’incorporation du glucose en acides gras était augmentée, suggérant que la diminution de l’activité de IDHc favorise la redirection du métabolisme de l’isocitrate à travers la navette pyruvate/citrate. Un mécanisme de compensation à travers la navette pyruvate/citrate pourrait ainsi expliquer la stimulation de la sécrétion d’insuline observée en réponse à la diminution de l’expression de IDHc. Les travaux effectués dans cette deuxième étude remettent en question l’implication de l’activité de IDHc, et de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate, dans la transduction des signaux métaboliques reliant le métabolisme du glucose à la sécrétion d’insuline. La navette pyruvate/citrate est la seule des navettes du pyruvate à conduire à la production du malonyl-CoA dans le cytoplasme des cellules β. Le malonyl-CoA régule le métabolisme des acides gras en inhibant la carnitine palmitoyl transférase 1, l’enzyme limitante dans l’oxydation des acides gras. Ainsi, l’élévation des niveaux de malonyl-CoA en réponse au glucose entraîne une redirection du métabolisme des acides gras vers les processus d’estérification puis de lipolyse. Plus précisément, les acides gras sont métabolisés à travers le cycle des triglycérides/acides gras libres (qui combinent les voies métaboliques d’estérification et de lipolyse), afin de produire des molécules lipidiques signalétiques nécessaires à la modulation de la sécrétion d’insuline. Des études effectuées précédemment dans notre laboratoire ont démontré que l’activité lipolytique de HSL (de l’anglais hormone-sensitive lipase) était importante, mais non suffisante, pour la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans une étude complémentaire, nous nous sommes intéressés au rôle d’une autre lipase, soit ATGL (de l’anglais adipose triglyceride lipase), dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et aux acides gras. Nous avons démontré que ATGL est exprimé dans les cellules β pancréatiques et que son activité contribue significativement à la lipolyse. Une réduction de son expression dans les cellules INS 832/13 par RNA interférant ou son absence dans les îlots pancréatiques de souris déficientes en ATGL a conduit à une réduction de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose en présence ou en absence d’acides gras. Ces résultats appuient l’hypothèse que la lipolyse est une composante importante de la régulation de la sécrétion d’insuline dans les cellules β pancréatiques. En conclusion, les résultats obtenus dans cette thèse suggèrent que la navette pyruvate/citrate est importante pour la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ce mécanisme impliquerait la production du NADPH et du malonyl-CoA dans le cytoplasme en fonction du métabolisme du glucose. Cependant, nos travaux remettent en question l’implication de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Le rôle exact de IDHc dans ce processus demeure cependant à être déterminé. Finalement, nos travaux ont aussi démontré un rôle pour ATGL et la lipolyse dans les mécanismes de couplage métabolique régulant la sécrétion d’insuline.

Studying the cytomechanic aspects of pollen tube growth behavior using Lab-On-Chip technology

L'élongation cellulaire de cellules cultivant bout comme hyphae fongueux, inculquez hairs, des tubes de pollen et des neurones, est limité au bout de la cellule, qui permet à ces cellules d'envahir l'encerclement substrate et atteindre une cible. Les cellules cultivant bout d'équipement sont entourées par le mur polysaccharide rigide qui régule la croissance et l'élongation de ces cellules, un mécanisme qui est radicalement différent des cellules non-walled. La compréhension du règlement du mur de cellule les propriétés mécaniques dans le contrôle de la croissance et du fonctionnement cellulaire du tube de pollen, une cellule rapidement grandissante d'équipement, est le but de ce projet. Le tube de pollen porte des spermatozoïdes du grain de pollen à l'ovule pour la fertilisation et sur sa voie du stigmate vers l'ovaire le tube de pollen envahit physiquement le stylar le tissu émettant de la fleur. Pour atteindre sa cible il doit aussi changer sa direction de croissance les temps multiples. Pour évaluer la conduite de tubes de pollen grandissants, un dans le système expérimental vitro basé sur la technologie de laboratoire-sur-fragment (LOC) et MEMS (les systèmes micro-électromécaniques) ont été conçus. En utilisant ces artifices nous avons mesuré une variété de propriétés physiques caractérisant le tube de pollen de Camélia, comme la croissance la croissance accélérée, envahissante et dilatant la force. Dans une des organisations expérimentales les tubes ont été exposés aux ouvertures en forme de fente faites de l'élastique PDMS (polydimethylsiloxane) la matière nous permettant de mesurer la force qu'un tube de pollen exerce pour dilater la croissance substrate. Cette capacité d'invasion est essentielle pour les tubes de pollen de leur permettre d'entrer dans les espaces intercellulaires étroits dans les tissus pistillar. Dans d'autres essais nous avons utilisé l'organisation microfluidic pour évaluer si les tubes de pollen peuvent s'allonger dans l'air et s'ils ont une mémoire directionnelle. Une des applications auxquelles le laboratoire s'intéresse est l'enquête de processus intracellulaires comme le mouvement d'organelles fluorescemment étiqueté ou les macromolécules pendant que les tubes de pollen grandissent dans les artifices LOC. Pour prouver que les artifices sont compatibles avec la microscopie optique à haute résolution et la microscopie de fluorescence, j'ai utilisé le colorant de styryl FM1-43 pour étiqueter le système endomembrane de tubes de pollen de cognassier du Japon de Camélia. L'observation du cône de vésicule, une agrégation d'endocytic et les vésicules exocytic dans le cytoplasme apical du bout de tube de pollen, n'a pas posé de problèmes des tubes de pollen trouvés dans le LOC. Pourtant, le colorant particulier en question a adhéré au sidewalls du LOC microfluidic le réseau, en faisant l'observation de tubes de pollen près du difficile sidewalls à cause du signal extrêmement fluorescent du mur. Cette propriété du colorant pourrait être utile de refléter la géométrie de réseau en faisant marcher dans le mode de fluorescence.

Role of Rab5 in synaptic vesicle recycling

During synaptic transmission, NT-filled synaptic vesicles are released by Ca2+-triggered exocytosis at the active zone. Following exocytosis, SV membrane is immediately re-internalized and synaptic vesicles (SVs) are regenerated by a local recycling mechanism within the presynaptic terminal. It is debated whether an endosomal compartment is involved in this recycling process. In contrast, it is well known from cultured mammalian cells, that endocytic vesicles fuse to the early sorting endosome. The early endosome is a major sorting station of the cell where cargo is send into the degradative pathway to late endosome and lysosome or towards recycling. Each trafficking step is mediated by a certain protein of the Rab family. Rab proteins are small GTPases belonging to the Ras superfamily. They accumulate at their target compartments and have thereby been used as markers for the different endocytic organelles in cultured mammalian cells. Rab5 controls trafficking from the PM to the early endosome and has thereby been used as marker for this compartment. A second marker is based on the specific binding of the FYVE zinc finger protein domain to the lipid PI(3)P that is specifically generated at the early endosomal membrane. This study used the Drosophila NMJ as a model system to investigate the SV recycling process. In particular, three questions were addressed: First, is an endosomal compartment present at the synapse? Second, do SVs recycle through an endosome? Third, is Rab5 involved in SV recycling? We used GFP fusions of Rab5 and 2xFYVE to visualize endosomal compartments at the presynaptic terminal of Drosophila third instar larval NMJs. Furthermore, the endosomes are located within the pool of recycling SVs, labeled with the styryl-dye FM5-95. Using the temperature-sensitive mutation in Dynamin, shibirets, we showed that SV recycling involves trafficking through an intermediate endosomal compartment. In cultured mammalian cells, interfering with Rab5 function by expressing the dominant negative version, Rab5SN causes the fragmentation of the endosome and the accumulation of endocytic vesicles. In contrast, when Rab5 is overexpressed enlarged endosomal compartments were observed. In Drosophila, the endosomal compartment was disrupted when loss of function and dominant negative mutants of Rab5 were expressed. In addition, at the ultrastructural we observed an accumulation of endocytic vesicles in Rab5S43N expressing terminals and enlarged endosomes when Rab5 was overexpressed. Furthermore, interfering with Rab5 function using the dominant negative Rab5S43N caused a decrease in the SV recycling kinetics as shown by FM1-43 experiments. In contrast, overexpression of Rab5 or GFP-Rab5 caused an increase in the FM1-43 internalization rate. Finally, standard electrophysiological techniques were used to measure synaptic function. We found that the Rab5-mediated endosomal SV recycling pathway generates vesicles with a higher fusion efficacy during Ca2+-triggered release, compared to SVs recycled when Rab5 function was impaired. We therefore suggest a model in which the endosome serves as organelle to control the SV fusion efficacy and thereby the synaptic strength. Since changes in the synaptic strength are occuring during learning and memory processes, controlling endosomal SV recycling might be a new molecular mechanism involved in learning and memory.

Vesicle motion during sustained exocytosis in chromaffin cells

Chromaffin cells release catecholamines by exocytosis, a process that includes vesicle docking, priming and fusion. Although all these steps have been intensively studied, some aspects of their mechanisms, particularly those regarding vesicle transport to the active sites situated at the membrane, are still unclear. In this work, we show that it is possible to extract information on vesicle motion in Chromaffin cells from the combination of Langevin simulations and amperometric measurements. We developed a numerical model based on Langevin simulations of vesicle motion towards the cell membrane and on the statistical analysis of vesicle arrival times. We also performed amperometric experiments in bovine-adrenal Chromaffin cells under Ba2+ stimulation to capture neurotransmitter releases during sustained exocytosis. In the sustained phase, each amperometric peak can be related to a single release from a new vesicle arriving at the active site. The amperometric signal can then be mapped into a spike-series of release events. We normalized the spike-series resulting from the current peaks using a time-rescaling transformation, thus making signals coming from different cells comparable. We discuss why the obtained spike-series may contain information about the motion of all vesicles leading to release of catecholamines. We show that the release statistics in our experiments considerably deviate from Poisson processes. Moreover, the interspike-time probability is reasonably well described by two-parameter gamma distributions. In order to interpret this result we computed the vesicles’ arrival statistics from our Langevin simulations. As expected, assuming purely diffusive vesicle motion we obtain Poisson statistics. However, if we assume that all vesicles are guided toward the membrane by an attractive harmonic potential, simulations also lead to gamma distributions of the interspike-time probability, in remarkably good agreement with experiment. We also show that including the fusion-time statistics in our model does not produce any significant changes on the results. These findings indicate that the motion of the whole ensemble of vesicles towards the membrane is directed and reflected in the amperometric signals. Our results confirm the conclusions of previous imaging studies performed on single vesicles that vesicles’ motion underneath plasma membranes is not purely random, but biased towards the membrane.

Rapeseed cytoplasm gives advantage in wild relatives and complicates genetically modified crop biocontainment

Biocontainment methods for genetically modified crops closest to commercial reality (chloroplast transformation, male sterility) would be compromised (in absolute terms) by seed-mediated gene flow leading to chloroplast capture. Even in these circumstances, however, it can be argued that biocontainment still represses transgene movement, with the efficacy depending on the relative frequency of seed-and pollen-mediated gene flow. In this study, we screened for crop-specific chloroplast markers from rapeseed (Brassica napus) amongst sympatric and allopatric populations of wild B. oleracea in natural cliff-top populations and B. rapa in riverside and weedy populations. We found only modest crop chloroplast presence in wild B. oleracea and in weedy B. rapa, but a surprisingly high incidence in sympatric (but not in allopatric) riverside B. rapa populations. Chloroplast inheritance models indicate that elevated crop chloroplast acquisition is best explained if crop cytoplasm confers selective advantage in riverside B. rapa populations. Our results therefore imply that chloroplast transformation may slow transgene recruitment in two settings, but actually accelerate transgene spread in a third. This finding suggests that the appropriateness of chloroplast transformation for biocontainment policy depends on both context and geographical location.

Self-assembly of a peptide amphiphile containing l-carnosine and its mixtures with a multilamellar vesicle forming lipid

The self-assembly of the peptide amphiphile (PA) hexadecyl-(β-alaninehistidine) is examined in aqueous solution, along with its mixtures with multilamellar vesicles formed by DPPC (dipalmitoyl phosphatidylcholine). This PA, denoted C16-βAH, contains a dipeptide headgroup corresponding to the bioactive molecule L-carnosine. It is found to selfassemble into nanotapes based on stacked layers of molecules. Bilayers are found to coexist with monolayers in which the PA molecules pack with alternating up−down arrangement so that the headgroups decorate both surfaces. The bilayers become dehydrated as PA concentration increases and the number of layers in the stack decreases to produce ultrathin nanotapes comprised of 2−3 bilayers. Addition of the PA to DPPC multilamellar vesicles leads to a transition to well-defined unilamellar vesicles. The unique ability to modulate the stacking of this PA as a function of concentration, combined with its ability to induce a multilamellar to unilamellar thinning of DPPC vesicles, may be useful in biomaterials applications where the presentation of the peptide function at the surface of self-assembled nanostructures is crucial.