Interacting agents on complex networks and stochastic processes in them

Nas últimas décadas, um grande número de processos têm sido descritos em termos de redes complexas. A teoria de redes complexas vem sendo utilizada com sucesso para descrever, modelar e caracterizar sistemas naturais, artificias e sociais, tais como ecossistemas, interações entre proteínas, a Internet, WWW, até mesmo as relações interpessoais na sociedade. Nesta tese de doutoramento apresentamos alguns modelos de agentes interagentes em redes complexas. Inicialmente, apresentamos uma breve introdução histórica (Capítulo 1), seguida de algumas noções básicas sobre redes complexas (Capítulo 2) e de alguns trabalhos e modelos mais relevantes a esta tese de doutoramento (Capítulo 3). Apresentamos, no Capítulo 4, o estudo de um modelo de dinâmica de opiniões, onde busca-se o consenso entre os agentes em uma população, seguido do estudo da evolução de agentes interagentes em um processo de ramificação espacialmente definido (Capítulo 5). No Capítulo 6 apresentamos um modelo de otimização de fluxos em rede e um estudo do surgimento de redes livres de escala a partir de um processo de otimização . Finalmente, no Capítulo 7, apresentamos nossas conclusões e perspectivas futuras.

The effect of sucrose on protein stability and fibrillation of prion and S6 protein

Aggregation and fibrillation of proteins have a great importance in medicine and industry. Misfolding and aggregation are the basis of many neurodegenerative diseases like Alzheimer and Parkinson. Osmolytes are molecules that can accumulate within cells and act as protective agents and they can inclusively act as protein stabilizers when cells are exposed to stress conditions. Osmolytes can also act as protein stabilizers in vitro. In this work, two different proteins were studied, the ribosomal protein from Thermus thermophilus and the mouse prion protein. The existence of an unstructured N-terminal on the prion protein does not affect its stability. The effect of the osmolyte sucrose on the fibrillation and stabilization of these two proteins was studied through kinectic and equilibrium measurements. It was shown that sucrose is able to compact the native structure of S6 protein in fibrillization conditions. Sucrose affects also folding and unfolding kinetic of S6 protein, delaying unfolding and increasing folding rate constants. The mechanism of stabilization by sucrose is non-specific because it is distributed for all protein structure, as it was demonstrated by a protein engineering approach. Sucrose delays the process of formation and elongation of S6 and prion protein from mouse. This delay is the result of the compaction of the native structure refered above. However, cellular toxicity studies have shown that fibrils formed in the presence of sucrose are more toxic to neuronal cells.

Phenylketonuria: Protein content and amino acids profile of dishes for phenylketonuric patients. The relevance of phenylalanine

Phenylketonuria is an inborn error of metabolism, involving, in most cases, a deficient activity of phenylalanine hydroxylase. Neonatal diagnosis and a prompt special diet (low phenylalanine and natural-protein restricted diets) are essential to the treatment. The lack of data concerning phenylalanine contents of processed foodstuffs is an additional limitation for an already very restrictive diet. Our goals were to quantify protein (Kjeldahl method) and amino acid (18) content (HPLC/fluorescence) in 16 dishes specifically conceived for phenylketonuric patients, and compare the most relevant results with those of several international food composition databases. As might be expected, all the meals contained low protein levels (0.67–3.15 g/100 g) with the highest ones occurring in boiled rice and potatoes. These foods also contained the highest amounts of phenylalanine (158.51 and 62.65 mg/100 g, respectively). In contrast to the other amino acids, it was possible to predict phenylalanine content based on protein alone. Slight deviations were observed when comparing results with the different food composition databases.

A copper protein and a cytochrome bind at the same site on bacterial cytochrome c peroxidase

Biochemistry, 2004, 43 (46), pp 14566–14576 DOI: 10.1021/bi0485833

Design of bio-inspired ionic liquids for protein stabilisation

Ionic Liquids (ILs) consist in organic salts that are liquid at/or near room temperature. Since ILs are entirely composed of ions, the formation of ion pairs is expected to be one essential feature for describing solvation in ILs. In recent years, protein - ionic liquid (P-IL) interactions have been the subject of intensive studies mainly because of their capability to promote folding/unfolding of proteins. However, the ion pairs and their lifetimes in ILs in P-IL thematic is dismissed, since the action of ILs is therefore the result of a subtle equilibrium between anion-cation interaction, ion-solvent and ion-protein interaction. The work developed in this thesis innovates in this thematic, once the design of ILs for protein stabilisation was bio-inspired in the high concentration of organic charged metabolites found in cell milieu. Although this perception is overlooked, those combined concentrations have been estimated to be ~300 mM among the macromolecules at concentrations exceeding 300 g/L (macromolecular crowding) and transient ion-pair can naturally occur with a potential specific biological role. Hence the main objective of this work is to develop new bio-ILs with a detectable ion-pair and understand its effects on protein structure and stability, under crowding environment, using advanced NMR techniques and calorimetric techniques. The choline-glutamate ([Ch][Glu]) IL was synthesized and characterized. The ion-pair was detected in water solutions using mainly the selective NOE NMR technique. Through the same technique, it was possible to detect a similar ion-pair promotion under synthetic and natural crowding environments. Using NMR spectroscopy (protein diffusion, HSQC experiments, and hydrogen-deuterium exchange) and differential scanning calorimetry (DSC), the model protein GB1 (production and purification in isotopic enrichment media) it was studied in the presence of [Ch][Glu] under macromolecular crowding conditions (PEG, BSA, lysozyme). Under dilute condition, it is possible to assert that the [Ch][Glu] induces a preferential hydration by weak and non-specific interactions, which leads to a significant stabilisation. On the other hand, under crowding environment, the [Ch][Glu] ion pair is promoted, destabilising the protein by favourable weak hydrophobic interactions , which disrupt the hydration layer of the protein. However, this capability can mitigates the effect of protein crowders. Overall, this work explored the ion-pair existence and its consequences on proteins in conditions similar to cell milieu. In this way, the charged metabolites found in cell can be understood as key for protein stabilisation.

Expression of the alpha 1b-adrenergic receptor and G protein subunits in mammalian cell lines using the Semliki Forest virus expression system.

Semliki Forest virus (SFV) vectors have been efficiently used for rapid high level expression of several G protein-coupled receptors. Here we describe the use of SFV vectors to express the alpha 1b-adrenergic receptor (AR) alone or in the presence of the G protein alpha q and/or beta 2 and gamma 2 subunits. Infection of baby hamster kidney (BHK) cells with recombinant SFV-alpha 1b-AR particles resulted in high specific binding activity of the alpha 1b-AR (24 pmol receptor/mg protein). Time-course studies indicated that the highest level of receptor expression was obtained 30 hours post-infection. The stimulation of BHK cells, with epinephrine led to a 5-fold increase in inositol phosphate (IP) accumulation, confirming the functional coupling of the receptor to G protein-mediated activation of phospholipase C. The SFV expression system represents a rapid and reproducible system to study the pharmacological properties and interactions of G protein coupled receptors and of G protein subunits.

Coevolution of restriction factors and retroviruses

Les virus exploitent la machinerie cellulaire de l'hôte pour se répliquer. Ils doivent s'adapter pour infecter la cellule hôte de manière optimale tout en échappant à la vigilance du système de défense de l'hôte. Ainsi l'hôte et les virus se livrent à de constantes batailles évolutives. Mon travail de thèse a porté sur l'étude des signatures évolutives de facteurs de l'hôte agissant comme des 'facteurs de restriction' en bloquant la réplication rétrovirale chez les primates. Plus spécifiquement, mon travail a visé à utiliser des données évolutives pour renseigner les analyses fonctionnelles et la biologie. Nous avons étudié le facteur anti-VIH-1 nommé TRIM5a (i) chez les prosimiens pour mieux comprendre son rôle dans le contrôle d'un lentivirus endogène, (ii) dans son activité contre d'autres anciennes infections représentées par des rétrovirus endogènes humains et (iii) en tant que protéine capable de générer des mutants de la capside. Premièrement nous nous sommes intéressés à TRIM5a chez deux espèces de lémuriens dont Microcebus murinus qui porte le lentivirus endogène PSIV dans son génome depuis plusieurs millions d'années,. Nous avons observé que TRIM5a chez M. murinus a un spectre d'activité antivirale réduit à l'opposé de TRIM5a chez le Lemur catta - non porteur du PSIV endogène - qui bloque une large variété de rétrovirus dont le PSIV. De ce fait TRIM5a aurait pu contribuer à protéger certaines espèces de lémuriens vis-à-vis d'anciennes infections par le PSIV. A l'inverse du PSIV, des virus dérivés des rétrovirus endogènes humains HERV-K and HERV-H se sont révélés largement résistants à l'inhibition par TRIM5a. Ces données illustrent une absence de protection par TRIM5a face à d'autres anciennes infections rétrovirales. Puis, pour évaluer l'impact de la protéine TRIM5a humaine sur le VIH-1, nous avons testé l'effet de mutations des résidues sous sélection positive dans la capside du VIH-1 sur l'inhibition par TRIM5a. Nos résultats montrent que TRIM5a ne jouerait pas un rôle significatif dans l'évolution de la capside du VIH-1. Enfin notre travail a porté sur le facteur anti-VIH-1 SAMHD1 récemment découvert, que nous avons séquencé chez 25 espèces de primates. L'analyse évolutive des sites sous sélection positive et des expériences fonctionnelles ont permis d'identifier le domaine de SAMHD1 interagissant avec la protéine lentivirale Vpx. De même que d'autres protéines virales contrecarrent les facteurs de restriction en les menant à la dégradation, nous avons observé que Vpx induit la dégradation de SAMHD1 de manière spécifique à l'espèce. Ces découvertes contribuent à comprendre comment les facteurs de restriction et les virus co-évoluent pour se neutraliser l'un l'autre. - Viruses hijack the host cellular machinery to replicate. They adapt to infect optimally host cells while escaping host defense systems. Viruses and the host coevolve in an evolutionary struggle. My thesis work has been devoted to study the evolutionary signatures of host factors acting as restriction factors that block retroviral replication in primates. Specifically, my work aimed at using evolutionary data to inform functional analyses and biology. We studied the anti-HIV-1 factor TRIM5a (i) in prosimians to better understand its possible role in the control of an endogenous lentivirus, (ii) in its activity against other ancient infections - as represented by HERVs, and (iii) as a protein capable of generating escape mutants in the viral capsid. First, my work focused on two lemur species, one of which was the gray mouse lemur that carries the endogenous lentivirus PSIV integrated in its genome for several million years. TRIM5a from gray mouse lemur exhibited a limited antiviral spectrum as opposed to TRIM5a from ring-tailed lemur - not a host of PSIV - that is able to block diverse retroviruses notably PSIV. These results support the possible contribution of TRIM5a in protecting lemur species from ancient infection by PSIV. In contrast, chimeric viruses derived from two human endogenous retroviruses were broadly resistant to TRIM5a-mediated restriction, suggesting TRIM5a lack of activity against other types of ancient infections. To evaluate the recent impact of human TRIM5a on HIV-1 evolution, we tested whether variants at positively selected sites in the HIV-1 capsid affected the ability of human TRIM5a alleles to restrict HIV-1. Our results indicate that TRIM5a does not play a significant role in the evolution of HIV1 capsid. At last, our work concentrated on the newly discovered anti-HIV-1 restriction factor SAMHD1. We determined its coding sequence in a panel of 25 species of primates. Evolutionary analyses of positively selected sites in SAMHD1 domains and functional assays identified the domain of SAMHD1 interacting with the lentiviral protein Vpx. Similar to other viral countermeasures targeting cellular restriction factors, Vpx was responsible of the degradation of SAMHD1 orthologs in a species-specific manner. These findings contributed to understanding how restriction factors and viruses evolve to counteract each other.

Single amino acid charge switch defines clinically distinct proline-serine-threonine phosphatase-interacting protein 1 (PSTPIP1)-associated inflammatory diseases.

BACKGROUND: Hyperzincemia and hypercalprotectinemia (Hz/Hc) is a distinct autoinflammatory entity involving extremely high serum concentrations of the proinflammatory alarmin myeloid-related protein (MRP) 8/14 (S100A8/S100A9 and calprotectin). OBJECTIVE: We sought to characterize the genetic cause and clinical spectrum of Hz/Hc. METHODS: Proline-serine-threonine phosphatase-interacting protein 1 (PSTPIP1) gene sequencing was performed in 14 patients with Hz/Hc, and their clinical phenotype was compared with that of 11 patients with pyogenic arthritis, pyoderma gangrenosum, and acne (PAPA) syndrome. PSTPIP1-pyrin interactions were analyzed by means of immunoprecipitation and Western blotting. A structural model of the PSTPIP1 dimer was generated. Cytokine profiles were analyzed by using the multiplex immunoassay, and MRP8/14 serum concentrations were analyzed by using an ELISA. RESULTS: Thirteen patients were heterozygous for a missense mutation in the PSTPIP1 gene, resulting in a p.E250K mutation, and 1 carried a mutation resulting in p.E257K. Both mutations substantially alter the electrostatic potential of the PSTPIP1 dimer model in a region critical for protein-protein interaction. Patients with Hz/Hc have extremely high MRP8/14 concentrations (2045 ± 1300 μg/mL) compared with those with PAPA syndrome (116 ± 74 μg/mL) and have a distinct clinical phenotype. A specific cytokine profile is associated with Hz/Hc. Hz/Hc mutations altered protein binding of PSTPIP1, increasing interaction with pyrin through phosphorylation of PSTPIP1. CONCLUSION: Mutations resulting in charge reversal in the y-domain of PSTPIP1 (E→K) and increased interaction with pyrin cause a distinct autoinflammatory disorder defined by clinical and biochemical features not found in patients with PAPA syndrome, indicating a unique genotype-phenotype correlation for mutations in the PSTPIP1 gene. This is the first inborn autoinflammatory syndrome in which inflammation is driven by uncontrolled release of members of the alarmin family.

The structural effects of divalent cations and insulin on phospholipid model membranes /

It is well accepted that structural studies with model membranes are of considerable value in understanding the structure of biological membranes. Many studies with models of pure phospholipids have been done; but the effects of divalent cations and protein on these models would make these studies more applicable to intact membrane. The present study, performed with above view, is a structural analysis of divalent io~cardio1ipin complexes using the technique of x-ray diffraction. Cardiolipin, precipitated from dilute solution by divalent ionscalcium, magnesium and barium, contains little water and the structure formed is similar to the structure of pure cardiolipin with low water content. The calcium-cardiolipin complex forms a pure hexagonal type II phase that exists from 40 to 400 C. The molar ratio of calcium and cardiolipin in the complex is 1 : 1. Cardiolipin, precipitated with magnesium and barium forms two co-existing phases, lamellar and hexagonal, the relative quantity of the two phases being dependent on temperature. The hexagonal phase type II consisting of water filled channels formed by adding calcium to cardiolipin may have a remarkable permeability property in intact membrane. Pure cardiolipin and insulin at pH 3.0 and 4.0 precipitate but form no organised structure. Lecithin/cardiolipin and insulin precipitated at pH 3.0 give a pure lamellar phase. As the lecithin/cardiolipin molar ratio changes from 93/7 to SO/50, (a) the repeat distance of the lamellar changes from 72.8 X to 68.2 A; (b) the amount of protein bound increases in such a way that cardiolipin/insulin molar ratio in the complex reaches a maximum constant value at lecithin/cardiolipin molar ratio 70/30. A structural model based on these data shows that the molecular arrangement of lipid and protein is a lipid bilayer coated with protein molecules. The lipid-protein interaction is chiefly electrostatic and little, if any, hydrophobic bonding occurs in this particular system. So, the proposed model is essentially the same as Davson-Daniellifs model of biological membrane.

The role of learning and growth hormone-releasing factor in the control of protein intake in rats /

Both learning and basic biological mechanisms have been shown to play a role in the control of protein int^e. It has previously been shown that rats can adapt their dietary selection patterns successfully in the face of changing macronutrient requirements and availability. In particular, it has been demonstrated that when access to dietary protein is restricted for a period of time, rats selectively increase their consumption of a proteincontaining diet when it becomes available. Furthermore, it has been shown that animals are able to associate various orosensory cues with a food's nutrient content. In addition to the role that learning plays in food intake, there are also various biological mechanisms that have been shown to be involved in the control of feeding behaviour. Numerous studies have documented that various hormones and neurotransmitter substances mediate food intake. One such hormone is growth hormone-releasing factor (GRF), a peptide that induces the release of growth hormone (GH) from the anterior pituitary gland. Recent research by Vaccarino and Dickson ( 1 994) suggests that GRF may stimulate food intake by acting as a neurotransmitter in the suprachiasmatic nucleus (SCN) and the adjacent medial preoptic area (MPOA). In particular, when GRF is injected directly into the SCN/MPOA, it has been shown to selectively enhance the intake of protein in both fooddeprived and sated rats. Thus, GRF may play a role in activating protein consumption generally, and when animals have a need for protein, GRF may serve to trigger proteinseeking behaviour. Although researchers have separately examined the role of learning and the central mechanisms involved in the control of protein selection, no one has yet attempted to bring together these two lines of study. Thus, the purpose of this study is to join these two parallel lines of research in order to further our understanding of mechanisms controlling protein selection. In order to ascertain the combined effects that GRF and learning have on protein intake several hypothesis were examined. One major hypothesis was that rats would successfully alter their dietary selection patterns in response to protein restriction. It was speculated that rats kept on a nutritionally complete maintenance diet (NCMD) would consume equal amount of the intermittently presented high protein conditioning diet (HPCD) and protein-free conditioning diet (PFCD). However, it was hypothesized that rats kept on a protein-free maintenance diet (PFMD) would selectively increase their intake of the HPCD. Another hypothesis was that rats would learn to associate a distinct marker flavour with the nutritional content of the diets. If an animal is able to make the association between a marker flavour and the nutrient content of the food, then it is hypothesized that they will consume more of a mixed diet (equal portion HPCD and PFCD) with the marker flavour that was previously paired with the HPCD (Mixednp-f) when kept on the PFMD. In addition, it was hypothesized that intracranial injection of GRF into the SCN/MPOA would result in a selective increase in HPCD as well as Mixednp-t consumption. Results demonstrated that rats did in fact selectively increase their consumption of the flavoured HPCD and Mixednp-f when kept on the NCMD. These findings indicate that the rats successfully learned about the nutrient content of the conditioning diets and were able to associate a distinct marker flavour with the nutrient content of the diets. However, the results failed to support previous findings that GRF increases protein intake. In contrast, the administration of GRF significantly reduced consumption of HPCD during the first hour of testing as compared to the no injection condition. In addition, no differences in the intake of the HPCD were found between the GRF and vehicle condition. Because GRF did not selectively increase HPCD consumption, it was not surprising that GRF also did not increase MixedHP-rintake. What was interesting was that administration of GRF and vehicle did not reduc^Mixednp-f consumption as it had decreased HPCD consumption.

Novel glutathione disulfide transferase function of CC-glutaredoxins involved in disease resistance and flower development

Glutaredoxins are oxidoreductases capable of reducing protein disulfide bridges and glutathione mixed disulfides through the process of deglutathionylation and glutathionylation. Lately, redox-mediated modifications of functional cysteine residues of TGA1 and TGA8 transcription factors have been postulated. Namely, GRX480 and ROXY1 glutaredoxins have been previously shown to interact with TGA proteins and have been suggested to regulate redox state of these proteins. TGA1, together with TGA2, is involved in systemic acquired resistance (SAR) establishment in the plant Arabidopsis thaliana through PR1 (Pathogenesis related 1) gene activation. They both form an enhanceosome complex with the NPR1 protein (non-expressor of pathogenesis related gene 1) which leads to PR1 transcription. Although TGA1 is capable of activating PR1 transcription, the ability of the TGA1 NPR1 enhanceosome complex to assembly is based on the redox status of TGA1. We identified GRX480 as a glutathionylating enzyme that catalyzes the TGA1 glutathione disulfide transferase reaction with a Km of around 20μM GSSG (oxidized glutathione). Out of four cysteine residues found within TGA1, C172 and C266 were found to be glutathionylated by this enzyme. We also confirmed TGA1 glutathionylation in vivo and showed that this modification takes place while TGA1 is associated with the PR1 promoter enzymatically via GRX480. Furthermore, we show that glutathionylation via GRX480 abolishes TGA1's interaction with NPR1 and consequently prevents the TGA1-NPR1 transcription activation of PR1. When glutathionylated, TGA1 is recruited to the PR1 promoter and acts as a repressor. Therefore, glutathionylation is a mechanism that prevents TGA1 NPR1 interaction, allowing TGA1 to function as a repressor of PR1 transcription. Surprisingly, GRX480 was not able to deglutathionylate proteins demonstrating the irreversible nature of the reaction. Moreover, we demonstrate that other members of CC-class glutaredoxins, namely ROXY1 and ROXY2, can also catalyze protein glutathionylation. The TGA8 protein was previously shown to interact with NPR1 analogs, BOP1 and BOP2 proteins. However, unlike the case of TGA1 NPR1 interaction, here we demonstrate that TGA8-BOP1 interaction is not redox regulated and that TGA8 glutathionylation by ROXY1 and ROXY2 enzymes does not abolish this interaction in vitro. However, TGA8 glutathionylation results in TGA8 oligomer disassembly into smaller complexes and monomers. Our results suggest that CC-Grxs are unable to reduce mixed disulfides, instead they efficiently catalyze the opposite reaction which distinguishes them from traditional glutaredoxins. Therefore, they should not be classified as glutaredoxins but as protein glutathione disulfide transferases.

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.

Genome wide search for genetic determinants of habitual alcohol, tobacco and coffee use, obesity-related traits, response to mental and physical stress and hemodynamic traits

Les habitudes de consommation de substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits cardiovasculaires associés seraient en partie reliés aux mêmes facteurs génétiques. Afin d’explorer cette hypothèse, nous avons effectué, chez 119 familles multi-générationnelles québécoises de la région du Saguenay-Lac-St-Jean, des études d’association et de liaison pangénomiques pour les composantes génétiques : de la consommation usuelle d’alcool, de tabac et de café, de la réponse au stress physique et psychologique, des traits anthropométriques reliés à l’obésité, ainsi que des mesures du rythme cardiaque (RC) et de la pression artérielle (PA). 58000 SNPs et 437 marqueurs microsatellites ont été utilisés et l’annotation fonctionnelle des gènes candidats identifiés a ensuite été réalisée. Nous avons détecté des corrélations phénotypiques significatives entre les substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits hémodynamiques. Par exemple, les consommateurs d’alcool et de tabac ont montré un RC significativement diminué en réponse au stress psychologique. De plus, les consommateurs de tabac avaient des PA plus basses que les non-consommateurs. Aussi, les hypertendus présentaient des RC et PA systoliques accrus en réponse au stress psychologique et un indice de masse corporelle (IMC) élevé, comparativement aux normotendus. D’autre part, l’utilisation de tabac augmenterait les taux corporels d’épinéphrine, et des niveaux élevés d’épinéphrine ont été associés à des IMC diminués. Ainsi, en accord avec les corrélations inter-phénotypiques, nous avons identifié plusieurs gènes associés/liés à la consommation de substances psychoactives, à la réponse au stress physique et psychologique, aux traits reliés à l’obésité et aux traits hémodynamiques incluant CAMK4, CNTN4, DLG2, DAG1, FHIT, GRID2, ITPR2, NOVA1, NRG3 et PRKCE. Ces gènes codent pour des protéines constituant un réseau d’interactions, impliquées dans la plasticité synaptique, et hautement exprimées dans le cerveau et ses tissus associés. De plus, l’analyse des sentiers de signalisation pour les gènes identifiés (P = 0,03) a révélé une induction de mécanismes de Potentialisation à Long Terme. Les variations des traits étudiés seraient en grande partie liées au sexe et au statut d’hypertension. Pour la consommation de tabac, nous avons noté que le degré et le sens des corrélations avec l’obésité, les traits hémodynamiques et le stress sont spécifiques au sexe et à la pression artérielle. Par exemple, si des variations ont été détectées entre les hommes fumeurs et non-fumeurs (anciens et jamais), aucune différence n’a été observée chez les femmes. Nous avons aussi identifié de nombreux traits reliés à l’obésité dont la corrélation avec la consommation de tabac apparaît essentiellement plus liée à des facteurs génétiques qu’au fait de fumer en lui-même. Pour le sexe et l’hypertension, des différences dans l’héritabilité de nombreux traits ont également été observées. En effet, des analyses génétiques sur des sous-groupes spécifiques ont révélé des gènes additionnels partageant des fonctions synaptiques : CAMK4, CNTN5, DNM3, KCNAB1 (spécifique à l’hypertension), CNTN4, DNM3, FHIT, ITPR1 and NRXN3 (spécifique au sexe). Ces gènes codent pour des protéines interagissant avec les protéines de gènes détectés dans l’analyse générale. De plus, pour les gènes des sous-groupes, les résultats des analyses des sentiers de signalisation et des profils d’expression des gènes ont montré des caractéristiques similaires à celles de l’analyse générale. La convergence substantielle entre les déterminants génétiques des substances psychoactives, du stress, de l’obésité et des traits hémodynamiques soutiennent la notion selon laquelle les variations génétiques des voies de plasticité synaptique constitueraient une interface commune avec les différences génétiques liées au sexe et à l’hypertension. Nous pensons, également, que la plasticité synaptique interviendrait dans de nombreux phénotypes complexes influencés par le mode de vie. En définitive, ces résultats indiquent que des approches basées sur des sous-groupes et des réseaux amélioreraient la compréhension de la nature polygénique des phénotypes complexes, et des processus moléculaires communs qui les définissent.

Dissecting cell cycle protein complexes using the pptimized yeast cytosine deaminase protein-fragment complementation assay “You too can play with an edge”

Les protéines sont les produits finaux de la machinerie génétique. Elles jouent des rôles essentiels dans la définition de la structure, de l'intégrité et de la dynamique de la cellule afin de promouvoir les diverses transformations chimiques requises dans le métabolisme et dans la transmission des signaux biochimique. Nous savons que la doctrine centrale de la biologie moléculaire: un gène = un ARN messager = une protéine, est une simplification grossière du système biologique. En effet, plusieurs ARN messagers peuvent provenir d’un seul gène grâce à l’épissage alternatif. De plus, une protéine peut adopter plusieurs fonctions au courant de sa vie selon son état de modification post-traductionelle, sa conformation et son interaction avec d’autres protéines. La formation de complexes protéiques peut, en elle-même, être déterminée par l’état de modifications des protéines influencées par le contexte génétique, les compartiments subcellulaires, les conditions environmentales ou être intrinsèque à la croissance et la division cellulaire. Les complexes protéiques impliqués dans la régulation du cycle cellulaire sont particulièrement difficiles à disséquer car ils ne se forment qu’au cours de phases spécifiques du cycle cellulaire, ils sont fortement régulés par les modifications post-traductionnelles et peuvent se produire dans tous les compartiments subcellulaires. À ce jour, aucune méthode générale n’a été développée pour permettre une dissection fine de ces complexes macromoléculaires. L'objectif de cette thèse est d'établir et de démontrer une nouvelle stratégie pour disséquer les complexes protéines formés lors du cycle cellulaire de la levure Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae). Dans cette thèse, je décris le développement et l'optimisation d'une stratégie simple de sélection basée sur un essai de complémentation de fragments protéiques en utilisant la cytosine déaminase de la levure comme sonde (PCA OyCD). En outre, je décris une série d'études de validation du PCA OyCD afin de l’utiliser pour disséquer les mécanismes d'activation des facteurs de transcription et des interactions protéine-protéines (IPPs) entre les régulateurs du cycle cellulaire. Une caractéristique clé du PCA OyCD est qu'il peut être utilisé pour détecter à la fois la formation et la dissociation des IPPs et émettre un signal détectable (la croissance des cellules) pour les deux types de sélections. J'ai appliqué le PCA OyCD pour disséquer les interactions entre SBF et MBF, deux facteurs de transcription clés régulant la transition de la phase G1 à la phase S. SBF et MBF sont deux facteurs de transcription hétérodimériques composés de deux sous-unités : une protéine qui peut lier directement l’ADN (Swi4 ou Mbp1, respectivement) et une protéine commune contenant un domain d’activation de la transcription appelée Swi6. J'ai appliqué le PCA OyCD afin de générer un mutant de Swi6 qui restreint ses activités transcriptionnelles à SBF, abolissant l’activité MBF. Nous avons isolé des souches portant des mutations dans le domaine C-terminal de Swi6, préalablement identifié comme responsable dans la formation de l’interaction avec Swi4 et Mbp1, et également important pour les activités de SBF et MBF. Nos résultats appuient un modèle où Swi6 subit un changement conformationnel lors de la liaison à Swi4 ou Mbp1. De plus, ce mutant de Swi6 a été utilisé pour disséquer le mécanisme de régulation de l’entrée de la cellule dans un nouveau cycle de division cellulaire appelé « START ». Nous avons constaté que le répresseur de SBF et MBF nommé Whi5 se lie directement au domaine C-terminal de Swi6. Finalement, j'ai appliqué le PCA OyCD afin de disséquer les complexes protéiques de la kinase cycline-dépendante de la levure nommé Cdk1. Cdk1 est la kinase essentielle qui régule la progression du cycle cellulaire et peut phosphoryler un grand nombre de substrats différents en s'associant à l'une des neuf protéines cycline régulatrice (Cln1-3, Clb1-6). Je décris une stratégie à haut débit, voir à une échelle génomique, visant à identifier les partenaires d'interaction de Cdk1 et d’y associer la cycline appropriée(s) requise(s) à l’observation d’une interaction en utilisant le PCA OyCD et des souches délétées pour chacune des cyclines. Mes résultats nous permettent d’identifier la phase(s) du cycle cellulaire où Cdk1 peut phosphoryler un substrat particulier et la fonction potentielle ou connue de Cdk1 pendant cette phase. Par exemple, nous avons identifié que l’interaction entre Cdk1 et la γ-tubuline (Tub4) est dépendante de Clb3. Ce résultat est conforme au rôle de Tub4 dans la nucléation et la croissance des faisceaux mitotiques émanant des centromères. Cette stratégie peut également être appliquée à l’étude d'autres IPPs qui sont contrôlées par des sous-unités régulatrices.

Caractérisation des complexes ribonucléoprotéiques de Staufen1 et Staufen2

Dans la cellule, chaque ARNm se doit d’être régulé finement au niveau transcriptionnel, bien entendu, mais également au niveau de sa traduction, de sa dégradation ainsi que de sa localisation intracellulaire, et ce, afin de permettre l’expression de chaque produit protéique au moment et à l’endroit précis où son action est requise. Lorsqu’un mécanisme physiologique est mis de l’avant dans la cellule, il arrive souvent que plusieurs ARNm se doivent d’être régulés simultanément. L’un des moyens permettant d’orchestrer un tel processus est de réguler l’action d’une protéine commune associée à chacun de ces ARNm, via un mécanisme post-traductionnel par exemple. Ainsi l’expression d’un groupe précis d’ARNm peut être régulée finement dans le temps et dans l’espace selon les facteurs protéiques auxquels il est associé. Dans l’optique d’étudier certains de ces complexes ribonucléoprotéiques (mRNP), nous nous sommes intéressés aux isoformes et paralogues de Staufen, une protéine à domaine de liaison à l’ARN double-brin (dsRBD) impliquée dans de nombreux aspects de la régulation post-transcriptionnelle, tels la dégradation, la traduction ou encore la localisation d’ARNm. Chez la drosophile, un seul gène Staufen est exprimé alors que chez les mammifères, il existe deux paralogues de la protéine, soit Stau1 et Stau2, tous deux possédant divers isoformes produits suite à l’épissage alternatif de leur gène. Stau1 et Stau2 sont identiques à 50%. Les deux isoformes de Stau2, Stau259 et Stau262 ne diffèrent qu’en leur extrémité N-terminale. En effet, alors que Stau259 arbore un dsRBD1 tronqué, celui de Stau262 est complet. Ces observations introduisent une problématique très intéressante à laquelle nous nous sommes attaqué : ces différentes protéines, quoique très semblables, font-elles partie de complexes ribonucléoprotéiques distincts ayant des fonctions propres à chacun ou, au contraire, vu cette similarité de séquence, travaillent-elles de concert au sein des mêmes complexes ribonucléoprotéiques? Afin d’adresser cette question, nous avons entrepris d’isoler, à partir de cellules HEK293T, les différents complexes de Stau1 et Stau2 par la technique d’immunoprécipitation. Nous avons isolé les ARNm associés à chaque protéine, les avons identifiés grâce aux micropuces d’ADN et avons confirmé nos résultats par RT-PCR. Malgré la présence d’une population commune d’ARNm associée à Stau1 et Stau2, la majorité des transcrits identifiés furent spécifiques à chaque orthologue. Cependant, nous avons remarqué que les diverses populations d’ARNm participaient aux mêmes mécanismes de régulation, ce qui suggère que ces deux protéines possèdent des rôles complémentaires dans la mise en œuvre de divers phénomènes cellulaires. Au contraire, les transcrits associés à Stau259 et Stau262 sont davantage similaires, indiquant que celles-ci auraient des fonctions plutôt semblables. Ces résultats sont très intéressants, car pour la première fois, nous avons identifié des populations d’ARNm associées aux isoformes Stau155, Stau259 et Stau262. De plus, nous les avons analysées en parallèle afin d’en faire ressortir les populations spécifiques à chacune de ces protéines. Ensuite, connaissant l’importance de Stau2 dans le transport dendritique d’ARNm, nous avons cherché à caractériser les complexes ribonucléoprotéiques neuronaux associés à celle-ci. Dans un premier temps et à l’aide de la technique d’immunoprécipitation, nous avons identifié une population d’ARNm neuronaux associés à Stau2. Plus de 1700 ARNm montraient une présence d’au moins huit fois supérieure dans le précipité obtenu avec l’anticorps anti-Stau2 par rapport à celui obtenu avec le sérum pré-immun. Ces ARNm codent pour des protéines impliquées dans des processus de modifications post-traductionnelles, de traduction, de transport intracellulaire et de métabolisme de l’ARN. De façon intéressante, cette population d’ARNm isolée du cerveau de rat est relativement différente de celle caractérisée des cellules humaines HEK293T. Ceci suggère que la spécificité d’association Stau2-ARNm peut diffèrer d’un tissu à un autre. Dans un deuxième temps, nous avons isolé les protéines présentes dans les complexes ribonucléoprotéiques obtenus de cerveaux de rat et les avons identifiées par analyse en spectrométrie de masse. De cette façon, nous avons identifié au sein des particules de Stau2 des protéines liant l’ARN (PABPC1, hnRNPH1, YB1, hsc70), des protéines du cytosquelette (α- et β-tubuline), de même que la protéine peu caractérisée RUFY3. En poussant davantage la caractérisation, nous avons établi que YB1 et PABPC1 étaient associées à Stau2 grâce à la présence de l’ARN, alors que la protéine hsc70, au contraire, interagissait directement avec celle-ci. Enfin, cette dernière association semble être modulable par l’action de l’ATP. Ce résultat offre de nombreuses possibilités quant à la régulation de la fonction de Stau2 et/ou de son mRNP. Entre autres, cette étude suggère un mécanisme de régulation de la traduction au sein de ces particules. Pour faire suite à la caractérisation des mRNP de Stau, nous avons voulu déterminer au niveau neurophysiologique l’importance de ceux-ci. Comme l’étude de Stau2 avait déjà été entreprise préalablement par un autre laboratoire, nous avons décidé de concentrer notre étude sur le rôle de Stau1. Ainsi, nous avons démontré que celle-ci était nécessaire à la mise en place d’une forme de plasticité synaptique à long terme, la forme tardive de potentialisation à long terme ou L-LTP, dépendante de la transcription et de l’activité des récepteurs NMDA. La transmission de base, de même que la faculté de ces épines à faire de la E-LTP, la forme précoce de potentialisation à long terme, et la dépression à long terme ou LTD sont conservées. Ceci indique que les épines conservent la capacité d’être modulées. Ainsi, l’inhibition de la L-LTP, suite à la sous-expression de Stau1, n’est pas simplement due à la perte d’éléments fonctionnels, mais réside plutôt dans l’incapacité de ceux-ci à induire les changements synaptiques spécifiquement nécessaires à la mise en place de la L-LTP. De plus, au niveau synaptique, la sous-expression de Stau1 réduit à la fois l’amplitude et la fréquence des mEPSC. Ces résultats concordent avec l’observation que la sous-expression de Stau1 augmente significativement la proportion d’épines allongées et filopodales, des épines formant des synapses dites silencieuses. Par le fait même, elle diminue le nombre d’épines fonctionnelles, de forme dite normale. Ainsi, nous avons été en mesure de démontrer que l’absence, au niveau neuronal, de la protéine Stau1 induisait un déficit probable dans la localisation et/ou la traduction d’ARNm responsable de la restructuration de l’épine et de facteurs nécessaires à la mise en place de la L-LTP. En conclusion, nous avons participé à lever le voile sur la composition et l’importance des complexes ribonucléoprotéiques de Stau1 et Stau2. Nous avons identifié des populations distinctes et communes d’ARNm associées aux différents isoformes de Stau, à partir des mRNP présents au sein des cellules HEK293. De plus, nous avons réussi à mettre à l’avant plan certaines composantes des mRNP neuronaux de Stau2, dont un partenaire protéique direct, hsc70, partenaire dont l’association est modulable par l’action de l’ATP, ainsi qu’une population neuronale de transcrits d’ARNm. Enfin, nous avons mis en lumière l’importance de Stau1 dans la morphologie des épines dendritiques ainsi que dans le phénomène de la plasticité synaptique.