Upconverting Phosphor Technology: Exceptional Photoluminescent Properties Light Up Homogeneous Bioanalytical Assays

The aim of the present study was to demonstrate the wide applicability of the novel photoluminescent labels called upconverting phosphors (UCPs) in proximity-based bioanalytical assays. The exceptional features of the lanthanide-doped inorganic UCP compounds stem from their capability for photon upconversion resulting in anti-Stokes photoluminescence at visible wavelengths under near-infrared (NIR) excitation. Major limitations related to conventional photoluminescent labels are avoided, rendering the UCPs a competitive next-generation label technology. First, the background luminescence is minimized due to total elimination of autofluorescence. Consequently, improvements in detectability are expected. Second, at the long wavelengths (>600 nm) used for exciting and detecting the UCPs, the transmittance of sample matrixes is significantly greater in comparison with shorter wavelengths. Colored samples are no longer an obstacle to the luminescence measurement, and more flexibility is allowed even in homogeneous assay concepts, where the sample matrix remains present during the entire analysis procedure, including label detection. To transform a UCP particle into a biocompatible label suitable for bioanalytical assays, it must be colloidal in an aqueous environment and covered with biomolecules capable of recognizing the analyte molecule. At the beginning of this study, only UCP bulk material was available, and it was necessary to process the material to submicrometer-sized particles prior to use. Later, the ground UCPs, with irregular shape, wide size-distribution and heterogeneous luminescence properties, were substituted by a smaller-sized spherical UCP material. The surface functionalization of the UCPs was realized by producing a thin hydrophilic coating. Polymer adsorption on the UCP surface is a simple way to introduce functional groups for bioconjugation purposes, but possible stability issues encouraged us to optimize an optional silica-encapsulation method which produces a coating that is not detached in storage or assay conditions. An extremely thin monolayer around the UCPs was pursued due to their intended use as short-distance energy donors, and much attention was paid to controlling the thickness of the coating. The performance of the UCP technology was evaluated in three different homogeneous resonance energy transfer-based bioanalytical assays: a competitive ligand binding assay, a hybridization assay for nucleic acid detection and an enzyme activity assay. To complete the list, a competitive immunoassay has been published previously. Our systematic investigation showed that a nonradiative energy transfer mechanism is indeed involved, when a UCP and an acceptor fluorophore are brought into close proximity in aqueous suspension. This process is the basis for the above-mentioned homogeneous assays, in which the distance between the fluorescent species depends on a specific biomolecular binding event. According to the studies, the submicrometer-sized UCP labels allow versatile proximity-based bioanalysis with low detection limits (a low-nanomolar concentration for biotin, 0.01 U for benzonase enzyme, 0.35 nM for target DNA sequence).

Luminescence-based assay methods in drug discovery

The drug discovery process is facing new challenges in the evaluation process of the lead compounds as the number of new compounds synthesized is increasing. The potentiality of test compounds is most frequently assayed through the binding of the test compound to the target molecule or receptor, or measuring functional secondary effects caused by the test compound in the target model cells, tissues or organism. Modern homogeneous high-throughput-screening (HTS) assays for purified estrogen receptors (ER) utilize various luminescence based detection methods. Fluorescence polarization (FP) is a standard method for ER ligand binding assay. It was used to demonstrate the performance of two-photon excitation of fluorescence (TPFE) vs. the conventional one-photon excitation method. As result, the TPFE method showed improved dynamics and was found to be comparable with the conventional method. It also held potential for efficient miniaturization. Other luminescence based ER assays utilize energy transfer from a long-lifetime luminescent label e.g. lanthanide chelates (Eu, Tb) to a prompt luminescent label, the signal being read in a time-resolved mode. As an alternative to this method, a new single-label (Eu) time-resolved detection method was developed, based on the quenching of the label by a soluble quencher molecule when displaced from the receptor to the solution phase by an unlabeled competing ligand. The new method was paralleled with the standard FP method. It was shown to yield comparable results with the FP method and found to hold a significantly higher signal-tobackground ratio than FP. Cell-based functional assays for determining the extent of cell surface adhesion molecule (CAM) expression combined with microscopy analysis of the target molecules would provide improved information content, compared to an expression level assay alone. In this work, immune response was simulated by exposing endothelial cells to cytokine stimulation and the resulting increase in the level of adhesion molecule expression was analyzed on fixed cells by means of immunocytochemistry utilizing specific long-lifetime luminophore labeled antibodies against chosen adhesion molecules. Results showed that the method was capable of use in amulti-parametric assay for protein expression levels of several CAMs simultaneously, combined with analysis of the cellular localization of the chosen adhesion molecules through time-resolved luminescence microscopy inspection.

Novel CO2 Regulated Proteins in Synechocystis PCC 6803

The large biodiversity of cyanobacteria together with the increasing genomics and proteomics metadata provide novel information for finding new commercially valuable metabolites. With the advent of global warming, there is growing interest in the processes that results in efficient CO2 capture through the use of photosynthetic microorganisms such as cyanobacteria. This requires a detailed knowledge of how cyanobacteria respond to the ambient CO2. My study was aimed at understanding the changes in the protein profile of the model organism, Synechocystis PCC 6803 towards the varying CO₂ level. In order to achieve this goal I have employed modern proteomics tools such as iTRAQ and DIGE, recombinant DNA techniques to construct different mutants in cyanobacteria and biophysical methods to study the photosynthetic properties. The proteomics study revealed several novel proteins, apart from the well characterized proteins involved in carbon concentrating mechanisms (CCMs), that were upregulated upon shift of the cells from high CO₂ concentration (3%) to that in air level (0.039%). The unknown proteins, Slr0006 and flavodiiron proteins (FDPs) Sll0217-Flv4 and Sll0219-Flv2, were selected for further characterization. Although slr0006 was substantially upregulated under C_i limiting conditions, inactivation of the gene did not result in any visual phenotype under various environmental conditions indicating that this protein is not essential for cell survival. However, quantitative proteomics showed the induction of novel plasmid and chromosome encoded proteins in deltaslr0006 under air level CO₂ conditions. The expression of the slr0006 gene was found to be strictly dependent on active photosynthetic electron transfer. Slr0006 contains conserved dsRNA binding domain that belongs to the Sua5/YrdC/YciO protein family. Structural modelling of Slr0006 showed an alpha/beta twisted open-sheet structure and a positively charged cavity, indicating a possible binding site for RNA. The 3D model and the co-localization of Slr0006 with ribosomal subunits suggest that it might play a role in translation or ribosome biogenesis. On the other hand, deletions in the sll0217-sll218- sll0219 operon resulted in enhanced photodamage of PSII and distorted energy transfer from phycobilisome (PBS) to PSII, suggesting a dynamic photoprotection role of the operon. Constructed homology models also suggest efficient electron transfer in heterodimeric Flv2/Flv4, apparently involved in PSII photoprotection. Both Slr0006 and FDPs exhibited several common features, including negative regulation by NdhR and ambiguous cellular localization when subjected to different concentrations of divalent ions. This strong association with the membranes remained undisturbed even in the presence of detergent or high salt. My finding brings ample information on three novel proteins and their functions towards carbon limitation. Nevertheless, many pathways and related proteins remain unexplored. The comprehensive understanding of the acclimation processes in cyanobacteria towards varying environmental CO₂ levels will help to uncover adaptive mechanisms in other organisms, including higher plants.

P-glycoprotein-mediated resistance to chemotherapy in cancer cells: using recombinant cytosolic domains to establish structure-function relationships

Resistance to chemotherapy in cancer cells is mainly mediated by overexpression of P-glycoprotein (Pgp), a plasma membrane ATP-binding cassette (ABC) transporter which extrudes cytotoxic drugs at the expense of ATP hydrolysis. Pgp consists of two homologous halves each containing a transmembrane domain and a cytosolic nucleotide-binding domain (NBD) which contains two consensus Walker motifs, A and B, involved in ATP binding and hydrolysis. The protein also contains an S signature characteristic of ABC transporters. The molecular mechanism of Pgp-mediated drug transport is not known. Since the transporter has an extraordinarily broad substrate specificity, its cellular function has been described as a "hydrophobic vacuum cleaner". The limited knowledge about the mechanism of Pgp, partly due to the lack of a high-resolution structure, is well reflected in the failure to efficiently inhibit its activity in cancer cells and thus to reverse multidrug resistance (MDR). In contrast to the difficulties encountered when studying the full-length Pgp, the recombinant NBDs can be obtained in large amounts as soluble proteins. The biochemical and biophysical characterization of recombinant NBDs is shown here to provide a suitable alternative route to establish structure-function relationships. NBDs were shown to bind ATP and analogues as well as potent modulators of MDR, such as hydrophobic steroids, at a region close to the ATP site. Interestingly, flavonoids also bind to NBDs with high affinity. Their binding site partly overlaps both the ATP-binding site and the steroid-interacting region. Therefore flavonoids constitute a new promising class of bifunctional modulators of Pgp.

The expression of the ACTH receptor

Adrenal glucocorticoid secretion is regulated by adrenocorticotropic hormone (ACTH) acting through a specific cell membrane receptor (ACTH-R). The ACTH-R is a member of the G protein superfamily-coupled receptors and belongs to the subfamily of melanocortin receptors. The ACTH-R is mainly expressed in the adrenocortical cells showing a restricted tissue specificity, although ACTH is recognized by the other four melanocortin receptors. The cloning of the ACTH-R was followed by the study of this gene in human diseases such as familial glucocorticoid deficiency (FGD) and adrenocortical tumors. FGD is a rare autosomal recessive disease characterized by glucocorticoid deficiency, elevated plasma ACTH levels and preserved renin/aldosterone secretion. This disorder has been ascribed to an impaired adrenal responsiveness to ACTH due to a defective ACTH-R, a defect in intracellular signal transduction or an abnormality in adrenal cortical development. Mutations of the ACTH-R have been described in patients with FGD in segregation with the disease. The functional characterization of these mutations has been prevented by difficulties in expressing human ACTH-R in cells that lack endogenous melanocortin receptor activity. To overcome these difficulties we used Y6 cells, a mutant variant of the Y1 cell line, which possesses a non-expressed ACTH-R gene allowing the functional study without any background activity. Our results demonstrated that the several mutations of the ACTH-R found in FGD result in an impaired cAMP response or loss of sensitivity to ACTH stimulation. An ACTH-binding study showed an impairment of ligand binding with loss of the high affinity site in most of the mutations studied.

A calcineurin inhibitory protein overexpressed in Down's syndrome interacts with the product of a ubiquitously expressed transcript

The Down's syndrome candidate region 1 (DSCR1) protein, encoded by a gene located in the human chromosome 21, interacts with calcineurin and is overexpressed in Down's syndrome patients. As an approach to clarifying a putative function for this protein, in the present study we used the yeast two-hybrid system to identify DSCR1 partners. The two-hybrid system is a method that allows the identification of protein-protein interactions through reconstitution of the activity of the yeast GAL 4 transcriptional activator. The gene DSCR1 fused to the GAL 4 binding domain (BD) was used to screen a human fetal brain cDNA library cloned in fusion with the GAL 4 activation domain (AD). Three positive clones were found and sequence analysis revealed that all the plasmids coded for the ubiquitously expressed transcript (UXT). UXT, which is encoded in human Xp11, is a 157-amino acid protein present in both cytosol and nucleus of the cells. This positive interaction of DSCR1 and UXT was confirmed in vivo by mating the yeast strain AH109 (MATa)expressing AD-UXT with the strain Y187 (MATalpha) expressing BD-DSCR1, and in vitro by co-immunoprecipitation experiments. These results may help elucidate a new function for DSCR1 and its participation in Down's syndrome pathogenesis.

Synechococcus sp. PCC 7002 CpcB lyase null mutations alter phycocyanin chromophore function and, consequently, affect the redistribution of excitation energy via the light state transition /

Phycobilisomes are the major light harvesting complexes for cyanobacteria and phycocyanin is the primary phycobiliprotein of the phycobilisome rod. The phycocyanobilin lyases responsible for chromophorylating the phycocyanin p subunit (CpcB) have been recently identified in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002. Surprisingly, mutants missing the CpcB lyases were nevertheless capable of producing pigmented phycocyanin. 10K absorbance measurements revealed that the energy states of the p phycocyanin chromophores were only subtly shifted; however, 77K steady state fluorescence emission spectroscopy showed excitation energy transfer involving the targeted chromophores to be highly disrupted. Such evidence suggests that phycobilin orientation within the binding domain is specifically modified. We hypothesized that alternate, less specific lyases are able to act on the p binding sites. A phycocyanin linker-polypeptide deficient mutant was similarly characterized. The light state transition, a short term adaptation of the photosynthetic light harvesting apparatus resulting in the redistribution of excitation energy among the photo systems, was shown to be dominated by the reallocation of phycocyanin-absorbed excitation energy. Treatment with a high M phosphate buffer effectively prevented the redistribution of both chlorophyll a- and phycobilisome- absorbed excitation energy, suggesting that the two effects are not strictly independent. The mutant strains required a larger redistribution of excitation energy between light states, perhaps to compensate for their loss in phycobilisome antenna function.

Synthesis of fluorescent analogues of a-tocopherol as ligands for the human a-tocopherol transfer protein (a-TTP) /

To further understand in vivo localization and trafficking of a-tocopherol (a-Toe), the most biologically active form of vitamin E, between lipid environments, tocopherols are required that can be followed by teclu1iques such as confocal microscopy and fluorescence resonance energy transfer (FRET) assays. To this end, sixteen fluorescent analogues of a-tocopherol (la-d [(1)anthroy loxy -a-tocopherols, A O-a-Toes], 2a-d [w-nitro benzoxadiazole-a-tocopherols, NBD-aToes], 3a-d [w-dansyl-a-tocopherols, DAN-a-Toes], and 4a-d [w-N-methylanthranilamide-atocopherols, NMA-a-TocsD were prepared by substituting fluorescent labels at the terminus of w-functionalized alkyl chains extending from C-2 of the chroman ring while retaining key binding features of the natural ligand. These compounds were prepared starting from (S)-Trolox® acid VIa esterification, protection, and reduction producing the silyl-protected (S)-Trolox aldehyde that was coupled using Wittig chemistry to different w-hydroxyalkylphosphonium bromides. Reduction of the alkene generated the w-hydroxy functionalized 2-n-alkyl intermediates 9a-d having the necessary 2R stereochemistry. A series of functional group manipulations including mesylation, substitution with azide, and hydride reduction provided w-amino functionalized intermediates 12a-d as well. Coupling intermediates 9a-d and 12a-d with the selected fluorophores (9- anthracene carboxylic acid, 4-chloro-7-nitrobenz-2-oxa-l,3-diazole, 5- dimethylaminonapthalene-l-sulfonyl chloride, and I-methyl-2H-3,1-benzoxazine-2,4(1H)dione), followed by deprotection of the phenolic silyl group, gave the desired fluorescent ligands la-d, 2a-d, 3a-d and 4a-d in good yield. Assessment of their binding affinities with recombinant human a-tocopherol transfer protein (ha-TTP) utilizing fluorescent titration binding assays identified competent ligands for further use in protein studies. Compounds Id (C9-AO-a-Toc) and 2d (C9-NBD-a-Toc) both having nonyl alkyl chain extensions between the chromanol and fluorophore were shown to bind specifically to ha-TTP with dissociation constants (KdS) of approximately 280 nM and 55 nM respectively, as compared to 25 nM for the natural ligand 2R,4'R,^'R-a-tocophQxoL.

Aspects of the hemes and modulation of hydrogen donors in catalases from bovine liver, yeast, and escherichia coli

Catalase is the enzyme which decomposes hydrogen peroxide to water and oxygen. Escherichia coli contains two catalases. Hydroperoxidase I (HPI) is a bifunctional catalase-peroxidase. Hydroperoxidase II (HPII) is only catalytically active toward H202. Expression of the genes encoding these proteins is controlled by different regimes. HPJI is thought to be a hexamer, having one heme d cis group per enzymatic subunit. HPII wild type protein and heme containing mutant proteins were obtained from the laboratory of P. Loewen (Univ. of Manitoba). Mutants constructed by oligonucleotidedirected mutagenesis were targeted for replacement of either the His128 residue or the Asn201 residue in the vicinity of the HPII heme crevice. His128 is the residue thought to be analogous to the His74 distal axial ligand of the heme in the bovine liver enzyme, and Asn201 is believed to be a residue critical to the function of the enzyme because of its role in orienting and interacting with the substrate molecule. Investigation of the nature of the hemes via absorption spectroscopy of the unmodified catalase proteins and their derived pyridine hemochromes showed that while the bovine and Saccharomyces cerevisiae catalase enzymes are protoheme-containing, the HPII wild type protein contains heme d, and the mutant proteins contain either solely protoheme, or heme d-protoheme mixtures. Cyanide binding studies supported this, as ligand binding was monophasic for the bovine, Saccharomyces cerevisiae, and wild type HPII enzymes, but biphasic for several of the HPII mutant proteins. Several mammalian catalases, and at least two prokaryotic catalases, are known to be NADPH binding. The function of this cofactor appears to be the prevention of inactivation of the enzyme, which occurs via formation of the inactive secondary catalase peroxide compound (compound II). No physiologically plausible scheme has yet been proposed for the NADPH mediation of catalase activity. This study has shown, via fluorescence and affinity chromatography techniques, that NADPH binds to the T (Typical) and A (Atypical) catalases of Saccharomyces cerevisiae, and that wild type HPII apparently does not bind NADPH. This study has also shown that NADPH is unlike any other hydrogen donor to catalase, and addresses its features as a unique donor by proposing a mechanism whereby NADPH is oxidized and catalase is protected from inactivation via the formation of protein radical species. Migration of this radical to a position close to the NADPH is also proposed as an adjunct hypothesis, based on similar electron migrations that are known to occur within metmyoglobin and cytochrome c peroxidase when reacted with H202. Validation of these hypotheses may be obtained in appropriate future experiments.

Cytosolic calcium levels and stress induced y-amino butyrate synthesis in asparagus mesophyll cells

Numerous investigations have demonstrated large increases in y-amino butyrate (GABA) levels in response to a variety of stresses such as touch or cold shock (Wallace et ale 1984) Circumstantial evidence indicating a role of Ca2 + in these increases includes elevated Ca2+ levels in response to touch and cold shock (Knight et ale 1991), and the demonstration of a calmodulin binding domain on glutamate decarboxylase (GAD), the enzyme responsible for GABA synthesis (Baum et al 1993) In the present study the possible role of Ca2+ and calmodulin in stimulation of GAD and subsequent GABA accumulation was examined using asparagus mesophyll cells. Images of cells loaded with the Ca2+ indicator Fluo-3 revealed a rapid and transient increase in cytosolic Ca2+ in response to cold shock. GABA levels increased by 106% within 15 min. of cold shock. This increase was inhibited 70% by the calmodulin antagonist W7, and 42% by the Ca2+ channel blocker La3+.. Artificial elevation of intracellular Ca2+ by the Ca2+ionophore A23187 resulted in an 61% increase in GABA levels. Stimulation of GABA synthesis by ABA resulted in an 83% increase in GABA levels which was inhibited 55% by W7. These results support the hypothesis that cold shock stimulates Ca2+ entry into the cytosol of the cells which results in Ca2+/calmodulin mediated activation of GAD and consequent GABA synthesis.

Interactions protéiques et relation dynamique entre phosphorylation / sumoylation / ubiquitination des protéines TIF1α, β et PML: détection in vivo par BRET

Trois protéines de la famille TRIM (Motif TRIpartite), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) et PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), font l’objet de cette étude. TIF1α est connu comme un coactivateur des récepteurs nucléaires et TIF1β comme le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc dont le prototype étudié ici est ZNF74. PML possède divers rôles dont le plus caractérisé est celui d’être l’organisateur principal et essentiel des PML-NBs (PML-Nuclear Bodies), des macrostructures nucléaires très dynamiques regroupant et coordonnant plus de 40 protéines. Il est à noter que la fonction de TIF1α, β et PML est régulée par une modification post-traductionnelle, la sumoylation, qui implique le couplage covalent de la petite protéine SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) à des lysines de ces trois protéines cibles. Cette thèse propose de développer des méthodes utilisant le BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfert) afin de détecter dans des cellules vivantes et en temps réel des interactions non-covalentes de protéines nucléaires mais aussi leur couplage covalent à SUMO. En effet, le BRET n’a jamais été exploré jusqu’alors pour étudier les interactions non-covalentes et covalentes de protéines nucléaires. L’étude de l’interaction de protéines transcriptionnellement actives est parfois difficile par des méthodes classiques du fait de leur grande propension à agréger (famille TRIM) ou de leur association à la matrice nucléaire (ZNF74). L’homo et l’hétérodimérisation de TIF1α, β ainsi que leur interaction avec ZNF74 sont ici testées sur des protéines entières dans des cellules vivantes de mammifères répondant aux résultats conflictuels de la littérature et démontrant que le BRET peut être avantageusement utilisé comme alternative aux essais plus classiques basés sur la transcription. Du fait de l’hétérodimérisation confirmée de TIF1α et β, le premier article présenté ouvre la possibilité d’une relation étroite entre les récepteurs nucléaires et les protéines KRAB- multidoigt de zinc. Des études précédentes ont démontré que la sumoylation de PML est impliquée dans sa dégradation induite par l’As2O3 et dépendante de RNF4, une E3 ubiquitine ligase ayant pour substrat des chaînes de SUMO (polySUMO). Dans le second article, grâce au développement d’une nouvelle application du BRET pour la détection d’interactions covalentes et non-covalentes avec SUMO (BRETSUMO), nous établissons un nouveau lien entre la sumoylation de PML et sa dégradation. Nous confirmons que le recrutement de RNF4 dépend de SUMO mais démontrons également l’implication du SBD (Sumo Binding Domain) de PML dans sa dégradation induite par l’As2O3 et/ou RNF4. De plus, nous démontrons que des sérines, au sein du SBD de PML, qui sont connues comme des cibles de phosphorylation par la voie de la kinase CK2, régulent les interactions non-covalentes de ce SBD mettant en évidence, pour la première fois, que les interactions avec un SBD peuvent dépendre d’un évènement de phosphorylation (“SBD phospho-switch”). Nos résultats nous amènent à proposer l’hypothèse que le recrutement de PML sumoylé au niveau des PML-NBs via son SBD, favorise le recrutement d’une autre activité E3 ubiquitine ligase, outre celle de RNF4, PML étant lui-même un potentiel candidat. Ceci suggère l’existence d’une nouvelle relation dynamique entre phosphorylation, sumoylation et ubiquitination de PML. Finalement, il est suggéré que PML est dégradé par deux voies différentes dépendantes de l’ubiquitine et du protéasome; la voie de CK2 et la voie de RNF4. Enfin une étude sur la sumoylation de TIF1β est également présentée en annexe. Cette étude caractérise les 6 lysines cibles de SUMO sur TIF1β et démontre que la sumoylation est nécessaire à l’activité répressive de TIF1β mais n’est pas impliquée dans son homodimérisation ou son interaction avec la boîte KRAB. La sumoylation est cependant nécessaire au recrutement d’histones déacétylases, dépendante de son homodimérisation et de l’intégrité du domaine PHD. Alors que l’on ne connaît pas de régulateur physiologique de la sumoylation outre les enzymes directement impliquées dans la machinerie de sumoylation, nous mettons en évidence que la sumoylation de TIF1β est positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB et suggérons que ces facteurs transcriptionnels recrutent TIF1β à l’ADN au niveau de promoteur et augmentent son activité répressive en favorisant sa sumoylation.

Étude de l’activité de Staufen1 dans la régulation traductionnelle de certains ARNm

Le transport et la traduction localisée des ARN messagers sont observés chez plusieurs organismes et sont requis pour de multiples phénomènes tels la mémoire, la division cellulaire asymétrique et l’établissement des axes durant le développement. Staufen, une protéine liant l’ARN double-brin, a été identifié dans un premier temps chez la mouche à fruits Drosophila melanogaster. Il a été montré, chez cet organisme, que Staufen est requis pour la localisation des messagers bicoid et oskar aux pôles antérieur et postérieur de l’ovocyte, respectivement. Également, Staufen est requis afin que la répression traductionnelle du messager oskar soit levée une fois qu’il est bien localisé. Chez les mammifères, Stau1 est une protéine ubiquiste qui est présente dans des complexes prenant la forme de granules dans les dendrites des neurones. Également, Stau1 peut interagir de façon indépendante de l’ARN avec le ribosome et cofractionner tant avec la sous-unité 40S qu’avec la sous-unité 60S du ribosome dans un gradient de saccharose. L’implication de Stau1 dans un mécanisme permettant la dérépression traductionnelle de certains ARNm chez les mammifères était donc une voie d’investigation intéressante. Nous avons donc décidé de vérifier si Stau1 mammifère avait la capacité de stimuler la traduction d’un ARNm cellulaire via un mécanisme régulé. Au moment où cette thèse a été entreprise, aucun ARNm cellulaire lié par Stau1 n’avait été identifié chez les mammifères. Des structures d’ARN double-brin ont donc été employées afin de réprimer la traduction d’un ARNm rapporteur. C’est ainsi que nous avons montré que Stau1 peut stimuler la traduction d’un ARNm lorsqu’il lie celui-ci dans sa région 5’ non-traduite. Par la suite, en employant des micropuces d’ADN, nous avons identifié des messagers cellulaires dont la distribution dans les polysomes lourds est modifiée par Stau1. En effet, un groupe de messagers est enrichi dans les polysomes lourds suite à une surexpression de Stau1, ce qui suggère que Stau1 stimule la traduction de cette population d’ARNm. Afin d’identifier un mécanisme potentiel de régulation de l’activité traductionnelle de Stau1, nous nous sommes intéressés à la capacité d’auto-association de cette protéine. Nous avons montré que Stau1, tout comme plusieurs protéines liant l’ARN double-brin, est en mesure de s’associer à lui-même, et ce, d’une façon indépendante de l’ARN. Nous avons identifié les déterminants impliqués mettant ainsi au jour un nouveau mécanisme pouvant influencer les activités cellulaires de Stau1. Les résultats présentés dans cette thèse suggèrent donc que Stau1 est en mesure de stimuler la traduction d’une sous-population précise d’ARN messagers au sein de la cellule permettant ainsi de jeter un regard nouveau sur l’implication de cette protéine dans divers phénomènes au sein de l’organisme.

Modulation allostérique de la fonction des récepteurs FP et PAF

Les récepteurs couplés aux protéines-G (RCPGs) constituent la première étape d’une série de cascades signalétiques menant à la régulation d’une multitude de processus physiologiques. Dans le modèle classique connu, la liaison du ligand induit un changement de conformation du récepteur qui mène à sa forme active. Une fois activés, les RCPGs vont réguler l’activité d’une protéine membranaire cible qui peut être tant une enzyme qu’un canal ionique. L’interaction entre le récepteur et la cible nécessite l’intermédiaire d’une protéine hétérotrimérique appelée « protéine G », qui est activée pour favoriser l’échange du GDP (guanosine diphosphate) pour un GTP (guanosine triphosphate) et assurer la transduction du signal du récepteur à l’effecteur. Les mécanismes moléculaires menant à l’activation des effecteurs spécifiques via l’activation des RCPGs par les protéines G hétérotrimériques sont encore plutôt méconnus. Dans notre étude nous nous sommes intéressés aux récepteurs FP et PAF, à leurs ligands naturels, la PGF2α et le Carbamyl-PAF respectivement, et à des ligands à action antagoniste sur ces récepteurs. Des ligands considérés comme agonistes, sont des molécules qui interagissent avec le récepteur et induisent les mêmes effets que le ligand naturel. Les antagonistes, par contre, sont des molécules qui interagissent avec le récepteur et bloquent l’action du ligand naturel en prévenant le changement conformationnel du complexe, et ils peuvent avoir une action compétitive ou non-compétitive. Nous avons étudié aussi des ligands orthostériques et allostériques du récepteur FP des prostaglandines et du récepteur PAF. Un ligand orthostérique peut se comporter comme agoniste ou antagoniste en se fixant au site de liaison du ligand (agoniste) naturel. Un ligand allostérique est un agoniste ou antagoniste se fixant à un site autre que celui du ligand naturel entraînant un changement de conformation ayant pour conséquence soit une augmentation (effecteur positif), soit une diminution (effecteur négatif) de l'activité du ligand naturel.

Études structurales d’interactions protéine/protéine impliquées dans l’érythropoïèse

Le développement hématopoïétique est régulé par l’action combinée de facteurs de transcription lignée spécifiques et de la machinerie transcriptionnelle de base, permettant ainsi l’expression de gènes en temps et lieu appropriés. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude structurale et fonctionnelle d’interactions décisives pour la régulation de l’expression de gènes et impliquant des domaines de transactivation (TAD). En effet, les interactions faisant intervenir les TAD d’activateurs permettent de réguler l’activation de la transcription de façon spécifique. La première étude présentée dans cette thèse relate l'identification et la caractérisation d'une nouvelle interaction entre deux facteurs de transcription : le facteur hématopoïétique GATA-1 et la protéine suppresseur de tumeur p53. En combinant des études in vitro par titrage calorimétrique en condition isotherme (ITC) et par spectroscopie RMN et des études in vivo, nous avons identifié et caractérisé cette nouvelle interaction. Il s'avère que le TAD de p53 et le domaine de liaison à l’ADN de GATA-1 sont les domaines minimaux requis pour la formation de ce complexe. L'inhibition de la voie p53 par GATA-1 s’est avérée être la conséquence majeure de cette interaction, permettant ainsi le maintien en vie des précurseurs érythrocytaires via l’inhibition de l’apoptose. Un deuxième type d’interaction a fait l’objet d’études : l’interaction entre divers TAD et la machinerie transcriptionnelle de base, plus spécifiquement avec le Facteur général de Transcription IIH (TFIIH). La structure des complexes constitués par la sous-unité Tfb1/p62 du facteur TFIIH en interaction avec le TAD viral de VP16 d’une part, et avec le TAD humain du facteur érythrocytaire « Erythroid Krüppel-like factor» (EKLF) d’autre part, ont été résolues par spectroscopie RMN. La structure du complexe Tfb1/VP16 a révélée que le mode de liaison de VP16 à Tfb1 est similaire au mode de liaison du TAD de p53 avec le même partenaire. En effet, les TAD de VP16 et de p53 forment tous deux une hélice α de 9 résidus en interaction avec Tfb1. En dépit de partager avec p53 et VP16 le même site de liaison sur Tfb1/p62, la structure RMN du complexe EKLF/Tfb1 démontre que le mode d’interaction de ce TAD se distingue du mode de liaison canonique des activeurs transcriptionnels. Etonnamment, EKLF adopte un mécanisme de liaison semblable au mécanisme de liaison du facteur général de transcription TFIIEα avec p62, leurs conformations demeurent étendues en interaction avec Tfb1/p62. En se basant sur nos données structurales, nous avons identifié un résidu dans le TAD d'EKLF décisif pour la formation du complexe EKLF/p62 : le Trp73. La mutation de cet acide aminé perturbe son interaction avec Tfb1PH/p62PH et réduit significativement l'activité transcriptionnelle d'EKLF dans les érythrocytes.

Étude de la pharmacologie de ligands du récepteur EP4 de prostaglandine E2

La prostaglandine E2 est une hormone lipidique produite abondamment dans le corps, incluant dans le rein où elle agit localement pour réguler les fonctions rénales. Un couplage à la protéine Gαs menant à une production d’AMPc a classiquement été attribué au récepteur EP4 de PGE2. La signalisation d’EP4 s’est cependant avérée plus complexe et implique aussi un couplage aux protéines sensibles à la PTX Gαi et des effets reliés aux β-arrestines. Il y a maintenant plusieurs exemples de l’activation sélective de voies de signalisation indépendantes par des ligands des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), et ce concept désigné sélectivité fonctionnelle pourrait être exploité dans le développement de nouveaux médicaments plus spécifiques et efficaces. Dans une première étude, la puissance et l’activité intrinsèque d’une série de ligands d’EP4 pour l’activation de Gαs, Gαi et de la ß-arrestine ont été systématiquement déterminées relativement au ligand endogène PGE2. Dans ce but, trois essais de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) ont été adaptés pour évaluer les différentes voies dans des cellules vivantes. Nos résultats montrent une sélectivité fonctionnelle importante parmi les agonistes évalués et ont une implication pour l’utilisation d’analogues de la PGE2 dans un contexte expérimental et possiblement clinique, puisque leur spectre d’activité diffère de l’agoniste naturel. La méthodologie basée sur le BRET utilisée lors de cette première évaluation systématique d’une série d’agonistes d’EP4 devrait être applicable à l’étude d’autres RCPG. Dans une deuxième étude, des peptides reproduisant des régions juxtamembranaires extracellulaires du récepteur EP4 ont été conçus selon le raisonnement que des peptides ciblant des régions éloignées du site de liaison du ligand naturel ont le potentiel de ne moduler qu’une partie des activités du récepteur. L’insuffisance rénale aiguë est une complication médicale grave caractérisée par un déclin brusque et soutenu de la fonction rénale et pour laquelle il n’y a pas de traitement efficace à l’heure actuelle. Nos résultats montrent que le peptidomimétique dérivé d’EP4 optimisé (THG213.29) améliore significativement les fonctions rénales et les changements histologiques dans une insuffisance rénale aiguë induite par cisplatine ou par occlusion des artères rénales dans des rats Sprague-Dawley. Le THG213.29 ne compétitionnait pas la liaison de la PGE2 à EP4, mais modulait la cinétique de dissociation de la PGE2, suggérant une liaison à un site allostérique d’EP4. Le THG213.29 démontrait une sélectivité fonctionnelle, puisqu’il inhibait partiellement la production d’AMPc induite par EP4 mais n’affectait pas l’activation de Gαi ou le recrutement de la ß-arrestine. Nos résultats indiquent que le THG213.29 représente une nouvelle classe d’agent diurétique possédant les propriétés d’un modulateur allostérique non-compétitif des fonctions du récepteur EP4 pour l’amélioration des fonctions rénales suite à une insuffisance rénale aiguë.