Skeletal muscle fibre-type comparison of whole tissue and subcellular membrane phospholipids and fatty acids

Membranes are dynamic structures that affect cell structure and function. Compositional changes ofmembranes have been shown with the application of a perturbation; however these are limited to whole tissue analysis. The purpose of this thesis was to compare the phospholipid (PL) fatty acid (FA) composition of rat whole muscle (Wm) to 1) purified and non-purified subsarcolemmal (SS) mitochondria in soleus, plantaris, and red gastrocnemius, and 2) sarcolemma, transverse-tubules, SS and intermyofibrillar (IMF) mitochondria fix)m whole hindlimb. The major findings were that 1) contamination significantly altered the PL FA composition of the SS mitochondrial membrane fraction, 2) Wm and SS mitochondria compositions differed between muscle types, and 3) Wm did not accurately reflect the PL FA composition of any isolated subcellular membranes, with each being unique from each other. As such, the relevancy of the trends reported in the literature of the effects of perturbations on Wm may be limited.

Host-parasite relations in a mycoparasitic system : alterations in membrane permeability and lipid composition in Choanephora cucurbitarum infected by Piptocephalis virginiana /

examined in Choanephora cucurbita rum during the early stages of infection by Piptocephalis virginiana » There was a small but consistent increase in the leakage of electrolytes, amino acids and sugars as a result of infection. These low levels of differential leakage in infected tissues are explained on the basis of the nature of this obligate, biotrophic, mycoparasitic system. Quantitative analysis of the twenty six amino acids and amino compounds detected in the leacheates — showed similar profiles in infected and control host and no new species of amino acids or amino compounds were detected in either infected or control host leacheates. Comparatively high amounts of aspartic acid, glutamic acid and alanine were found in the leacheates of host and infected host . Analyses of the sugars comprising the leacheates of infected and control host showed the presence of eight sugars, among which glucose was found in significant amounts (50-53%) ' The nutritional implication of this preferential leakage is discussed. No significant difference was observed in the leacheates of infected host sugar profiles compared with that of the control host. Profiles of the internal pool sugars of infected and control host did not reflect that obtained from the leacheate data, perhaps owing to leakage of sugars in a selective manner . Membrane lipid analyses yielded higher levels of lipid in infected host compared with the control, both at the 24 h and 36 h analyses. In addition, preliminary investigations of phosphorous-32 incorporation and turnover in phospholipids showed higher levels of 32p incorporation and turnover in infected host compared with the control. No apparent difference was noted in the profiles of the neutral lipid classes and the polar lipid classes of the membrane lipids as determined by one and two dimensional thin-layer chromatography respectively. However, a small but consistently higher degree of unsaturation was detected in the fatty acids of infected tissue compared with the control. Also, '^''-^^''^^'-'-^'^^c acid, a polyunsaturated fatty acid previously reported to show a direct correlation during the early stages of infection and the degree of parasitism of P. virginiana on C. cucurbitarum , was found in higher amounts in infected host membrane lipids compared with that of the control host. The implications of these membrane lipid alterations are discussed with particular reference to the small but consistently higher leakage of electrolytes, amino acids and sugars observed during infection in this study.

Characterization of the phosphorylation of thylakoid membrane proteins from cyanobacterium synechococcus sp. PCC 6301 in light state 1 and light state 2

The distribution of excitation energy between the two photosystems (PSII and PSI) of photosynthesis is regulated by the light state transition. Three models have been proposed for the mechanism of the state transition in phycobilisome (PBS) containing organisms, two involving protein phosphorylation. A procedure for the rapid isolation of thylakoid membranes and PBS fractions from the cyanobacterium Synechococcus m. PCC 6301 in light state 1 and light state 2 was developed. The phosphorylation of thylakoid and soluble proteins rapidly isolated from intact cells in state 1 and state 2 was investigated. 77 K fluorescence emission spectra revealed that rapidly isolated thylakoid membranes retained the excitation energy distribution characteristic of intact cells in state 1 and state 2. Phosphoproteins were identified by gel electrophoresis of both thylakoid membrane and phycobilisome fractions isolated from cells labelled with 32p orthophosphate. The results showed very close phosphoprotein patterns for either thylakoid membrane or PBS fractions in state 1 and state 2. These results do not support proposed models for the state transition which required phosphorylation of PBS or thylakoid membrane proteins.

Heterogeneity of photosystem II as it occurs in domain specific regions of the thylakoid membrane of spinach (spinacia oleracia L.)

Thylakoid membrane fractions were prepared from specific regions of thylakoid membranes of spinach (Spinacia oleracea). These fractions, which include grana (83), stroma (T3), grana core (8S), margins (Ma) and purified stroma (Y100) were prepared using a non-detergent method including a mild sonication and aqueous two-phase partitioning. The significance of PSlla and PSII~ centres have been described extensively in the literature. Previous work has characterized two types of PSII centres which are proposed to exist in different regions of the thylakoid membrane. a-centres are suggested to aggregate in stacked regions of grana whereas ~-centres are located in unstacked regions of stroma lamellae. The goal of this study is to characterize photosystem II from the isolated membrane vesicles representing different regions of the higher plant thylakoid membrane. The low temperature absorption spectra have been deconvoluted via Gaussian decomposition to estimate the relative sub-components that contribute to each fractions signature absorption spectrum. The relative sizes of the functional PSII antenna and the fluorescence induction kinetics were measured and used to determine the relative contributions of PSlla and PSII~ to each fraction. Picosecond chlorophyll fluorescence decay kinetics were collected for each fraction to characterize and gain insight into excitation energy transfer and primary electron transport in PSlla and PSII~ centres. The results presented here clearly illustrate the widely held notions of PSII/PS·I and PSlIa/PSII~ spatial separation. This study suggests that chlorophyll fluorescence decay lifetimes of PSII~ centres are shorter than those of PSlIa centres and, at FM, the longer lived of the two PSII components renders a larger yield in PSlIa-rich fractions, but smaller in PSIlr3-rich fractions.

X-ray diffraction of a gram-negative bacterial membrane mimetic

This thesis applies x-ray diffraction to measure he membrane structure of lipopolysaccharides and to develop a better model of a LPS bacterial melilbrane that can be used for biophysical research on antibiotics that attack cell membranes. \iVe ha'e Inodified the Physics department x-ray machine for use 3.'3 a thin film diffractometer, and have lesigned a new temperature and relative humidity controlled sample cell.\Ve tested the sample eel: by measuring the one-dimensional electron density profiles of bilayers of pope with 0%, 1%, 1G :VcJ, and 100% by weight lipo-polysaccharide from Pse'udo'lTwna aeTuginosa. Background VVe now know that traditional p,ntibiotics ,I,re losing their effectiveness against ever-evolving bacteria. This is because traditional antibiotic: work against specific targets within the bacterial cell, and with genetic mutations over time, themtibiotic no longer works. One possible solution are antimicrobial peptides. These are short proteins that are part of the immune systems of many animals, and some of them attack bacteria directly at the membrane of the cell, causing the bacterium to rupture and die. Since the membranes of most bacteria share common structural features, and these featuret, are unlikely to evolve very much, these peptides should effectively kill many types of bacteria wi Lhout much evolved resistance. But why do these peptides kill bacterial cel: '3 , but not the cells of the host animal? For gramnegative bacteria, the most likely reason is that t Ileir outer membrane is made of lipopolysaccharides (LPS), which is very different from an animal :;ell membrane. Up to now, what we knovv about how these peptides work was likely done with r !10spholipid models of animal cell membranes, and not with the more complex lipopolysa,echaricies, If we want to make better pepticies, ones that we can use to fight all types of infection, we need a more accurate molecular picture of how they \vork. This will hopefully be one step forward to the ( esign of better treatments for bacterial infections.

The Role of Membrane Lipid Composition on Sarco(endo)plasmic Reticulum Calcium ATPase Function in Rat Soleus Muscle

Sarco(endo)plasmic reticulum calcium ATPase (SERCA) is a transmembrane protein whose function is regulated by its immediate lipid environment (annulus). The composition of the annulus is currently unknown or it’s susceptibility to a high saturated fat diet (HSFD). Furthermore it is uncertain if HSFD can protect SERCA from thermal stress. The purpose of the study was to determine SERCA annular lipid composition, resulting impact of a HSFD, and in turn, influence on SERCA activity with and without thermal stress. The major findings were annular lipids were shorter and more saturated compared to whole homogenate and HSFD had no effect on annular lipid composition or SERCA activity with and without thermal stress. Both average chain length and unsaturation index were positively correlated with SERCA activity with and without thermal stress. These findings suggest that annular lipid composition is different than whole homogenate and its composition appears to be related to SERCA function.

The Role of Membrane Lipid Composition on Skeletal Muscle Damage in the Rodent Model of Duchenne Muscular Dystrophy

Duchenne muscular dystrophy is a X-linked muscle disease, which leads to alterations in membrane phospholipid fatty acid (FA) composition and skeletal muscle damage. Increased membrane saturated FA in muscular dystrophy may suggest its association with increased susceptibility (as being the cause or consequence) to muscle damage. It was hypothesised that increased saturation is positively correlated to increased muscle damage. Correlations were hypothesized to be greater in extensor digitorum longus (EDL) at 20 weeks compared to soleus (SOL) at 10 weeks in dystrophin deficient (mdx) mice. Increased saturation was correlated to damage in EDL at both 10 and 20 weeks, with stronger correlations at 10 weeks. The results suggest that membrane PL FA composition may be associated with damage through two possible means. Increased saturation may be a cause or consequence of membrane damage. Association of membrane composition with eccentric induced damage has underscored the importance of saturated PL FA compositions in damage to dystrophic myofibres.

The Ligand and Membrane-binding Behaviour of the Phosphatidylinositol Transfer Proteins (PITPa & PITPb)

Human Class I phosphatidylinositol transfer proteins (PITPs) exists in two forms: PITPα and PITPβ. PITPs are believed to be lipid transfer proteins based on their capacity to transfer either phosphatidylinositol (PI) or phosphatidylcholine (PC) between membrane compartments in vitro. In Drosophila, the PITP domain is found to be part of a multi-domain protein named retinal degeneration B (RdgBα). The PITP domain of RdgBα shares 40 % sequence identity with PITPα and has been shown to possess PI and PC binding and transfer activity. The detailed molecular mechanism of ligand transfer by the human PITPs and the Drosophila PITP domain remains to be fully established. Here, we investigated the membrane interactions of these proteins using dual polarization interferometry (DPI). DPI is a technique that measures protein binding affinity to a flat immobilized lipid bilayer. In addition, we also measured how quickly these proteins transfer their ligands to lipid vesicles using a fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based assay. DPI investigations suggest that PITPβ had a two-fold higher affinity for membranes compared to PITPα. This was reflected by a four-fold faster ligand transfer rate for PITPβ in comparison to PITPα as determined by the FRET assay. Interestingly, DPI analysis also demonstrated that PI-bound human PITPs have lower membrane affinity compared to PC-bound PITPs. In addition, the FRET studies demonstrated the significance of membrane curvature in the ligand transfer rate of PITPs. The ligand transfer rate was higher when the accepting vesicles were highly curved. Furthermore, when the accepting vesicles contained phosphatidic acid (PA) which have smaller head groups, the transfer rate increased. In contrast, when the accepting vesicles contained phosphoinositides which have larger head groups, the transfer rate was diminished. However, PI, the favorite ligand of PITPs, or the presence of anionic lipids did not appear to influence the ligand transfer rate of PITPs. Both DPI and FRET examinations revealed that the PITP domain of RdgBα was able to bind to membranes. However, the RdgBα PITP domain appears to be a poor binder and transporter of PC.

Role of Phosphorylation of the Oxysterol Binding Protein (OSBP) in (PI(4)P) and Sterol-Containing Membrane Recognition and Binding

Studies have demonstrated that the oxysterol binding protein (OSBP) acts as a phosphatidylinositol phosphate (PIP)-sterol exchanger at membrane contact sites (MCS) of the endoplasmic reticulum (ER) and Golgi. OSBP is known to pick up phosphatidylinositol-4-phosphate (PI(4)P) from the ER, transfer it to the trans-Golgi in exchange for a cholesterol molecule that is then transferred from the trans-Golgi to the ER. Upon further examination of this pathway by Ridgway et al. (1), it appeared that phosphorylation of OSBP played a role in the localization of OSBP. The dephosphorylation state of OSBP was linked to Golgi localization and the depletion of cholesterol at the ER. To mimic the phosphorylated state of OSBP, the mutant OSBP-S5E was designed by Ridgway et al. (1). The lipid and sterol recognition by wt-OSBP and its phosphomimic mutant OSBP-S5E were investigated using immobilized lipid bilayers and dual polarization interferometry (DPI). DPI is a technique in which the protein binding affinity to immobilized lipid bilayers is measured and the binding behavior is examined through real time. Lipid bilayers containing 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) and varying concentrations of PI(4)Ps or sterols (cholesterol or 25-hydroxycholesterol) were immobilized on a silicon nitride chip. It was determined that wt-OSBP binds differently to PI(4)P-containing bilayers compared to OSBP-S5E. The binding behavior suggested that wt-OSBP extracts PI(4)P and the change in the binding behavior, in the case of OSBP-S5E, suggested that the phosphorylation of OSBP may prevent the recognition and/or extraction of PI(4)P. In the presence of sterols, the overall binding behavior of OSBP, regardless of phosphorylation state, was fairly similar. The maximum specific bound mass of OSBP to sterols did not differ as the concentration of sterols increased. However, comparing the maximum specific bound mass of OSBP to cholesterol with oxysterol (25-hydroxycholesterol), OSBP displayed nearly a 2-fold increase in bound mass. With the absence of the wt-OSBP-PI(4)P binding behavior, it can be speculated that the sterols were not extracted. In addition, the binding behavior of OSBP was further tested using a fluorescence based binding assay. Using 22-(N-(7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-yl)amino)-23,24-bisnor-5-cholen-3β-ol (22-NBD cholesterol), wt-OSBP a one site binding dissociation constant Kd, of 15 ± 1.4 nM was determined. OSBP-S5E did not bind to 22-NBD cholesterol and Kd value was not obtained.

Étude des mécanismes moléculaires menant à la migration cellulaire associée à Rac1 et ARF6.

Le facteur de l’ADP-ribosylation 6 (ARF6) et Rac1 sont des petites protéines liant le GTP qui régulent plusieurs voies de signalisation comprenant le trafic de vésicules, la modification des lipides membranaires et la réorganisation du cytosquelette d’actine. Cependant, les mécanismes moléculaires par lesquels ARF6 et Rac1 agissent de concert afin de contrôler ces différents processus cellulaires restent méconnus. Dans cette étude, nous montrons que, dans les cellules HEK293, ARF6 et Rac1 sont retrouvées en complexe suite à la stimulation du récepteur à l’angiotensine. Des expériences réalisées in vitro nous indiquent que ces deux GTPases interagissent ensemble directement, et que ARF6 s’associe préférentiellement avec la forme inactive de Rac1. L’inhibition de l’expression de ARF6 par interférence à l’ARN entraîne une activation marquée en cellule de Rac1 via le facteur PIX, indépendamment de la stimulation d’un récepteur, ce qui provoque la migration non contrôlée des cellules. Les arrestines, protéines de régulation de la désensibilisation des récepteurs couplés aux protéines G, servent de protéines d’échafaudage pour Rac1 et ARF6, en interagissant directement avec les GTPases et en augmentant leur association stimulée par l’angiotensine. De plus, les arrestines permettent l’activation, en s’en dissociant, de la MAP Kinase p38 qui régule l’activité de ARF6 et son interaction précoce avec les arrestines. Mis ensemble, ces résultats montrent que les arrestines contrôlent l’activité de ARF6, en influençant p38. ARF6 joue un rôle inhibiteur sur l’activation basale de Rac1 pour permettre ensuite son recrutement et son activation dépendante de l’angiotensine. Cette étude nous a permis de préciser le mode de régulation mis en jeu dans l’initiation de la migration cellulaire, suite à l’activation d’un récepteur couplé aux protéines G. Par le fait même, nous avons identifié certains des acteurs impliqués dans ce processus, offrant ainsi de nouvelles cibles pour le traitement des déséquilibres pathophysiologiques de la migration cellulaire.

Les rôles distincts des isoformes de myosine II non-musculaire dans des processus cellulaires impliquant le cytosquelette d'actine.

Le complexe actomyosine, formé de l’association de la myosine II avec les filaments d’actine, stabilise le cytosquelette d’actine et génère la contraction cellulaire nécessaire à plusieurs processus comme la motilité et l’apoptose dans les cellules non-musculaires. La myosine II est un hexamère formé d’une paire de chaînes lourdes (MHCs) et de deux paires de chaînes légères MLC20 et MLC17. La régulation de l’activité de la myosine II, c'est-à-dire son interaction avec les filaments d’actine, est directement liée à l’état de phosphorylation des MLC20, mais il reste beaucoup à découvrir sur l’implication des MHCs. Il existe trois isoformes de MHCs de myosine II, MHCIIA, MHCIIB et MHCIIC qui possèdent des fonctions à la fois communes et distinctes. Notre but est de mettre en évidence les différences de fonction entre les isoformes de myosine II, au niveau structurale, dans la stabilisation du cytosquelette d’actine, et au niveau de leur activité contractile, dans la génération des forces de tension. Nous nous sommes intéressés au rôle des isoformes des MHCs dans l’activité du complexe actomyosine qui est sollicité durant le processus de contraction cellulaire de l’apoptose. Dans quatre lignées cellulaires différentes, le traitement conjoint au TNFα et à la cycloheximide causait la contraction et le rétrécissement des cellules suivi de leur détachement du support de culture. Par Western blot, nous avons confirmé que la phosphorylation des MLC20 est augmentée suite au clivage de ROCK1 par la caspase-3, permettant ainsi l’interaction entre la myosine II et les filaments d’actine et par conséquent, la contraction des cellules apoptotiques. Cette contraction est bloquée par l’inhibition des caspases et de ROCK1. MHCIIA est dégradée suite à l’activation de la caspase-3 alors que MHCIIB n’est pas affectée. En utilisant une lignée cellulaire déficiente en MHCIIB, ou MHCIIB (-/-), nous avons observé que la contraction et le détachement cellulaires durant l’induction de l’apoptose se produisaient moins rapidement que dans la lignée de type sauvage (Wt) ce qui suggère que l’isoforme B est impliquée dans la contraction des cellules apoptotiques. Parallèlement, la kinase atypique PKCζ, qui phosphoryle MHCIIB et non MHCIIA, est activée durant l’apoptose. PKCζ joue un rôle important puisque son inhibition bloque la contraction des cellules apoptotiques. Par la suite, nous nous sommes intéressés à la modulation de la morphologie cellulaire par la myosine II. Les fibroblastes MHCIIB (-/-), présentent un large lamellipode dont la formation semble dû uniquement à l’absence de l’isoforme MHCIIB, alors que les fibroblastes Wt ont une morphologie cellulaire étoilée. La formation du lamellipode dans les fibroblastes MHCIIB (-/-) est caractérisée par l’association de la cortactine avec la membrane plasmique. L’observation en microscopie confocale nous indique que MHCIIA interagit avec la cortactine dans les fibroblastes Wt mais très peu dans les fibroblastes MHCIIB (-/-). Le bFGF active la voie des MAP kinases dans les fibroblastes Wt et MHCIIB (-/-) et induit des extensions cellulaires aberrantes dans les fibroblastes MHCIIB (-/-). Nos résultats montrent que l’implication de l’isoforme B de la myosine II dans la modulation de la morphologie cellulaire. L’ensemble de nos résultats participe à distinguer la fonction structurale et contractile de chacune des isoformes de myosine II dans la physiologie cellulaire.

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.

Rôle de l’extrémité C-terminale dans l’expression du canal calcique Cav1.2 à la membrane plasmique

Le canal calcique de type L, Cav1.2, joue un rôle clé dans le couplage excitation-contraction des myocytes ventriculaires. Il a été montré que la sous-unité Cavα1 était sujette à l’épissage alternatif et que ce phénomène pouvait mener à une protéine tronquée en C-terminal au niveau de l’exon 45 (Liao, Yong et al. 2005). D’autres groupes ont étudié différentes délétions au niveau de l’extrémité C-terminale (De Jongh, Warner et al. 1991; Gao, Cuadra et al. 2001). Les courants mesurés dans la configuration cellule entière, était significativement plus grands que le canal « pleine longueur ». Nous avons décidé de tester certaines de ces délétions (ΔC2030, ΔC1935, ΔC1856, ΔC1733, ΔC1700) en présence ou en absence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3, susceptible d’interagir avec l’extrémité C-terminale de la sous-unité Cavα1 par l’intermédiaire de son domaine SH3 (Lao, Kobrinsky et al. 2008). Les résultats obtenus dans les ovocytes de Xénope ont mis en évidence que les sous-unités Cavα1.2 tronquées montraient des courants globaux plus élevés que le canal « pleine longueur » en présence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3 et que les sous-unités Cavα1.2 tronquées donnaient des courants en absence de la sous-unité Cavβ3 contrairement à la sous-unité Cavα1.2 « pleine longueur ». Afin de vérifier si l’augmentation des courants macroscopiques était le résultat d’une augmentation du nombre de sous-unités Cavα1.2 à la membrane, nous avons choisi de quantifier la fluorescence spécifiquement due à cette sous-unité en utilisant la méthode de cytométrie de flux (FACS : « Fluorescence Activated Cell Sorting »). L’épitope HA a été inséré dans une région extracellulaire de la sous-unité Cavα1 du canal calcique Cav1.2 et un anticorps anti-HA couplé au FITC (« Fluorescein IsoThioCyanate ») a été utilisé pour observer la fluorescence. Nos résultats confirment que la sous-unité Cavα1-HA du canal calcique Cav1.2, s’exprime à la membrane plasmique en présence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3, et qu’en absence de celle-ci, ne s’exprime que peu ou pas à la membrane. Les mêmes résultats ont été obtenus pour les trois délétions testées dans les mêmes conditions soit Cavα1.2-HA ΔC1935, Cavα1.2-HA ΔC1856 et Cavα1.2-HA ΔC1733. Ensemble, ces résultats suggèrent que l’augmentation des courants macroscopiques observés après une délétion partielle du C-terminal n’est pas causée par une augmentation du nombre de protéines Cavα1.2 à la membrane.