ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

Neurophysiological effects of vasopressin and oxytocin in the central amygdala of the rat : a potential mechanism for the opposite modulation of anxiety and fear behavior

Abstract The amygdala is a group of nuclei in the temporal lobe of the brain that plays a crucial role in anxiety and fear behavior. Sensory information converges in the basolateral and lateral nuclei of the amygdala, which have been the first regions in the brain where the acquisition of new (fear) memories has been associated with long term changes in synaptic transmission. These nuclei, in turn, project to the central nucleus of the amygdala. The central amygdala, through its extensive projections to numerous nuclei in the midbrain and brainstem, plays a pivotal role in the orchestration of the rapid autonomic and endocrine fear responses. In the central amygdala a large number of neuropeptides and receptors is expressed, among which high levels of vasopressin and oxytocin receptors. Local injections of these peptides into the amygdala modulate several aspects of the autonomic fear reaction. Interestingly, their effects are opposing: vasopressin tends to enhance the fear reactions, whereas oxytocin has anxiolytic effects. In order to investigate the neurophysiological mechanisms that could underlie this opposing modulation of the fear behavior, we studied the effects of vasopressin and oxytocin on the neuronal activity in an acute brain slice preparation of the rat central amygdala. We first assessed the effects of vasopressin and oxytocin on the spontaneous activity of central amygdala neurons. Extracellular single unit recordings revealed two major populations of neurons: a majority of neurons was excited by vasopressin and inhibited by oxytocin, whereas other neurons were only excited by oxytocin receptor activation. The inhibitory effect of oxytocin could be reduced by the block of GABAergic transmission, whereas the excitatory effects of vasopressin and oxytocin were not affected. In a second step we identified the cellular mechanisms for the excitatory effects of both peptides as well as the morphological and biochemical mechanisms underlying the opposing effects, by using sharp electrode recordings together with intracellular labelings. We revealed that oxytocin-excited neurons are localized in the lateral part (CeL) whereas vasopressin excited cells are found in the medial part of the central amygdala (CeM). The tracing of the neuronal morphology showed that the axon collaterals of the oxytocin-excited neurons project from the CeL, far into the CeM. Combined immunohistochemical stainings indicated that these projections are GABAergic. In the third set of experiments we investigated the synaptic interactions between the two identified cell populations. Whole-cell patch-clamp recordings in the CeM revealed that the inhibitory effect of oxytocin was caused by the massive increase of inhibitory GABAergic currents, which was induced by the activation of CeL neurons. Finally, the effects of vasopressin and oxytocin on evoked activity were investigated. We found on the one hand, that the probability of evoking action potentials in the CeM by stimulating the basolateral amygdala afferents was enhanced under vasopressin, whereas it decreased under oxytocin. On the other hand, the impact of cortical afferents stimulation on the CeL neurons was enhanced by oxytocin application. Taken together, these findings have allowed us to develop a model, in which the opposing behavioral effects of vasopressin and oxytocin are caused by a selective activation of two distinct populations of neurons in the GABAergic network of the central amygdala. Our model could help to develop new anxiolytic treatments, which modulate simultaneously both receptor systems. By acting on a GABAergic network, such treatments can further be tuned by combinations with classical benzodiazepines. Résumé: L'amygdale est un groupe de noyaux cérébraux localisés dans le lobe temporal. Elle joue un rôle essentiel dans les comportements liés à la peur et l'anxiété. L'information issue des aires sensorielles converge vers les noyaux amygdaliens latéraux et basolatéraux, qui sont les projections vers différents noyaux du tronc cérébral et de l'hypothalamus, joue un rôle clef premières régions dans lesquelles il a été démontré que l'acquisition d'une nouvelle mémoire (de peur) était associée à des changements à long terme de la transmission synaptique. Ces noyaux envoient leurs projections sur l'amygdale centrale, qui à travers ses propres dans l'orchestration des réponses autonomes et endocrines de peur. Le contrôle de l'activité neuronale dans l'amygdale centrale module fortement la réaction de peur. Ainsi, un grand nombre de neuropeptides sont spécifiquement exprimés dans l'amygdale centrale et un bon nombre d'entre eux interfère dans la réaction de peur et d'anxiété. Chez les rats, une forte concentration de récepteurs à l'ocytocine et à la vasopressine est exprimée dans le noyau central, et l'injection de ces peptides dans l'amygdale influence différents aspects de la réaction viscérale associée à la peur. Il est intéressant de constater que ces peptides exercent des effets opposés. Ainsi, la vasopressine augmente la réaction de peur alors que l'ocytocine a un effet anxiolytique. Afin d'investiguer les mécanismes neurophysiologiques responsables de ces effets opposés, nous avons étudié l'effet de la vasopressine et de l'ocytocine sur l'activité neuronale de préparations de tranches de cerveau de rats contenant entre autres de l'amygdale centrale. Tout d'abord, notre intérêt s'est porté sur les effets de ces deux neuropeptides sur l'activité spontanée dans l'amygdale centrale. Des enregistrements extracellulaires ont révélé différentes populations de neurones ; une majorité était excitée par la vasopressine et inhibée par l'ocytocine ; d'autres étaient seulement excités par l'activation du récepteur à l'ocytocine. L'effet inhibiteur de l'ocytocine a pu être réduit par l'inhibition de la transmission GABAergique, alors que ses effets excitateurs n'étaient pas affectés. Dans un deuxième temps, nous avons identifié les mécanismes cellulaires responsables de l'effet excitateur de ces deux peptides et analysé les caractéristiques morphologiques et biochimiques des neurones affectés. Des enregistrements intracellulaires ont permis de localiser les neurones excités par l'ocytocine dans la partie latérale de l'amygdale centrale (CeL), et ceux excités par la vasopressine dans sa partie médiale (CeM). Le traçage morphologique des neurones a révélé que les collatérales axonales des cellules excitées par l'ocytocine projetaient du CeL loin dans le CeM. De plus, des colorations immuno-histochimiques ont révélé que ces projections étaient GABAergiques. Dans un troisième temps, nous avons étudié les interactions synaptiques entre ces deux populations de cellules. Les enregistrements en whole-cell patch-clamp dans le CeM ont démontré que les effets inhibiteurs de l'ocytocine résultaient de l'augmentation massive des courants GABAergique résultant de l'activation des neurones dans le CeL. Finalement, les effets de l'ocytocine et de la vasopressine sur l'activité évoquée ont été étudiés. Nous avons pu montrer que la probabilité d'évoquer un potentiel d'action dans le CeM, par stimulation de l'amygdale basolatérale, était augmentée sous l'effet de la vasopressine et diminuée sous l'action de l'ocytocine. Par contre, l'impact de la stimulation des afférences corticales sur les neurones du CeL était augmenté par l'application de l'ocytocine. L'ensemble de ces résultats nous a permis de développer un modèle dans lequel les effets comportementaux opposés de la vasopressine et de l'ocytocine sont causés par une activation sélective des deux différentes populations de neurones dans un réseau GABAergique. Un tel modèle pourrait mener au développement de nouveaux traitements anxiolytiques en modulant l'activité des deux récepteurs simultanément. En agissant sur un réseau GABAergique, les effets d'un tel traitement pourraient être rendus encore plus sélectifs en association avec des benzodiazépines classiques.

Modulation in Wistar rats of blood corticosterone compartmentation by sex and prior exposure to a cafeteria diet

In the metabolic syndrome, glucocorticoid activity is increased, but circulating levels show little change. Most of blood glucocorticoids are bound to corticosteroid-binding globulin (CBG), which liver expression and circulating levels are higher in females than in males. Since blood hormones are also bound to blood cells, and the size of this compartment is considerable for androgens and estrogens, we analyzed whether sex or eating a cafeteria diet altered the compartmentation of corticosterone in rat blood. The main corticosterone compartment in rat blood is that specifically bound to plasma proteins, with smaller compartments bound to blood cells or free. Cafeteria diet increased the expression of liver CBG gene, binding plasma capacity and the proportion of blood cell-bound corticosterone. There were marked sex differences in blood corticosterone compartmentation in rats, which were unrelated to testosterone. The use of a monoclonal antibody ELISA and a polyclonal Western blot for plasma CBG compared with both specific plasma binding of corticosterone and CBG gene expression suggested the existence of different forms of CBG, with varying affinities for corticosterone in males and females, since ELISA data showed higher plasma CBG for males, but binding and Western blot analyses (plus liver gene expression) and higher physiological effectiveness for females. Good cross- reactivity to the antigen for polyclonal CBG antibody suggests that in all cases we were measuring CBG.The different immunoreactivity and binding affinity may help explain the marked sex-related differences in plasma hormone binding as sex-linked different proportions of CBG forms.

The effect of positive airway pressure during pre-oxygenation and induction of anaesthesia upon duration of non-hypoxic apnoea

Résumé de l'étude. L'application d'une pression positive (PEEP) pendant la phase d'induction d'une anesthésie générale peut prévenir la formation d'atélectasies pulmonaires. Ceci pourrait permettre d'accroître la durée d'apnée non hypoxique par l'augmentation de la capacité pulmonaire résiduelle fonctionnelle (CRF). Nous avons étudié le bénéfice de l'application d'une PEEP durant la phase d'induction d'une anesthésie générale sur la durée d'apnée avant que la saturation périphérique en oxygène atteigne 90%. Quarante patients ASA I-II ont été randomisés en deux groupes distincts. - Dans le groupe PEEP (n=20), les patients ont été pré-oxygénés durant 5 minutes avec une Fi02 à l00% par l'intermédiaire d'un appareil de CPAP (6cmH2O). Après induction de l'anesthésie, les patients furent ventilés mécaniquement (PEEP 6cmH2O) durant 5 minutes supplémentaires. - Dans le groupe ZEEP (n=20), aucune pression positive (ni CPAP, ni PEEP) ne fut utilisée. La durée d'apnée pour atteindre une saturation périphérique de 90% fut mesurée. La durée d'apnée non hypoxique était plus longue dans le groupe PEEP par rapport au groupe ZEEP (599 +/- 135 s vs 470 +/- 150 s, p= 0,007). Nous concluons que l'application d'une pression positive durant la phase d'induction d'une anesthésie générale chez l'adulte prolonge la durée d'apnée non hypoxique de plus de 2 minutes.

Cooccurrence of predominant Panton-Valentine leukocidin-positive sequence type (ST) 152 and multidrug-resistant ST 241 Staphylococcus aureus clones in Nigerian hospitals.

Ninety-six clinical isolates of Staphylococcus aureus from Nigeria were characterized phenotypically and genetically. Twelve multidrug-resistant methicillin (meticillin)-resistant S. aureus (MRSA) isolates carrying a new staphylococcal cassette chromosome mec element and a high proportion of Panton-Valentine leukocidin (PVL)-positive methicillin-susceptible S. aureus (MSSA) isolates were observed. The cooccurrence of multidrug-resistant MRSA and PVL-positive MSSA isolates entails the risk of emergence of a multidrug-resistant PVL-positive MRSA clone.

Methionine-321 in the C-terminal alpha-helix of catabolic ornithine carbamoyltransferase from Pseudomonas aeruginosa is important for positive homotropic cooperativity.

Pseudomonas aeruginosa has a pair of distinct ornithine carbamoyltransferases. The anabolic ornithine carbamoyltransferase encoded by the argF gene catalyzes the formation of citrulline from ornithine and carbamoylphosphate. The catabolic ornithine carbamoyltransferase encoded by the arcB gene promotes the reverse reaction in vivo; although this enzyme can be assayed in vitro for citrulline synthesis, its unidirectionality in vivo is determined by its high concentration at half maximum velocity for carbamoylphosphate ([S]0.5) and high cooperativity toward this substrate. We have isolated mutant forms of catabolic ornithine carbamoyltransferase catalyzing the anabolic reaction in vivo. The corresponding arcB mutant alleles on a multicopy plasmid specifically suppressed an argF mutation of P. aeruginosa. Two new mutant enzymes were obtained. When methionine 321 was replaced by isoleucine, the mutant enzyme showed loss of homotropic cooperativity at physiological carbamoylphosphate concentrations. Substitution of glutamate 105 by lysine resulted in a partial loss of the sigmoidal response to increasing carbamoylphosphate concentrations. However, both mutant enzymes were still sensitive to the allosteric activator AMP and to the inhibitor spermidine. These results indicate that at least two residues of catabolic ornithine carbamoyltransferase are critically involved in positive carbamoylphosphate cooperativity: glutamate 105 (previously known to be important) and methionine 321. Mutational changes in either amino acid will affect the geometry of helix H2, which contains several residues required for carbamoylphosphate binding.

Optimization strategies for fast detection of positive selection on phylogenetic trees.

MOTIVATION: The detection of positive selection is widely used to study gene and genome evolution, but its application remains limited by the high computational cost of existing implementations. We present a series of computational optimizations for more efficient estimation of the likelihood function on large-scale phylogenetic problems. We illustrate our approach using the branch-site model of codon evolution. RESULTS: We introduce novel optimization techniques that substantially outperform both CodeML from the PAML package and our previously optimized sequential version SlimCodeML. These techniques can also be applied to other likelihood-based phylogeny software. Our implementation scales well for large numbers of codons and/or species. It can therefore analyse substantially larger datasets than CodeML. We evaluated FastCodeML on different platforms and measured average sequential speedups of FastCodeML (single-threaded) versus CodeML of up to 5.8, average speedups of FastCodeML (multi-threaded) versus CodeML on a single node (shared memory) of up to 36.9 for 12 CPU cores, and average speedups of the distributed FastCodeML versus CodeML of up to 170.9 on eight nodes (96 CPU cores in total).Availability and implementation: ftp://ftp.vital-it.ch/tools/FastCodeML/. CONTACT: selectome@unil.ch or nicolas.salamin@unil.ch.

Interrogating eleven fast-evolving genes for signatures of recent positive selection in worldwide human populations

Different signatures of natural selection persist over varying time scales in our genome, revealing possible episodes of adaptative evolution during human history. Here, we identify genes showing signatures of ancestral positive selection in the human lineage and investigate whether some of those genes have been evolving adaptatively in extant human populations. Specifically, we compared more than 11,000 human genes with their orthologs inchimpanzee, mouse, rat and dog and applied a branch-site likelihood method to test for positive selection on the human lineage. Among the significant cases, a robust set of 11 genes were then further explored for signatures of recent positive selection using SNP data. We genotyped 223 SNPs in 39 worldwide populations from the HGDP Diversity panel and supplemented this information with available genotypes for up to 4,814 SNPs distributed along 2 Mb centered on each gene. After exploring the allele frequency spectrum, population differentiation and the maintainance of long unbroken haplotypes, we found signals of recent adaptative phenomena in only one of the 11 candidate gene regions. However, the signal ofrecent selection in this region may come from a different, neighbouring gene (CD5) ratherthan from the candidate gene itself (VPS37C). For this set of positively-selected genes in thehuman lineage, we find no indication that these genes maintained their rapid evolutionarypace among human populations. Based on these data, it therefore appears that adaptation forhuman-specific and for population-specific traits may have involved different genes.

Dissection of hormone-responsive plasma membrane to nucleus signaling of Bravis Radix : its role in vascular differentiation and root meristem growth

AbstractPlants continuously grow during their complete life span and understanding the mechanisms that qualitatively regulate their traits remains a challenging topic in biology. The hormone auxin has been identified as a crucial molecule for shaping plant growth, as it has a role in most developmental processes. In the root, the directional, so-called polar transport of auxin generates a peak of concentration that specifies and maintains the stem cell niche and a subsequent gradient of decreasing concentration that also regulates cell proliferation and differentiation. For these reasons, auxin is considered the main morphogen of the root, as it is fundamental for its organization and maintenance. Recently, in Arabidopsis thaliana, a natural variation screen allowed the discovery of BREVIS RADIX (BRX) gene as a limiting factor for auxin responsive gene expression and thus for root growth.In this study, we discovered that BRX is a direct target of auxin that positively feeds back on auxin signaling, as a transcriptional co-regulator, through interaction with the Auxin Response Factor (ARF) MONOPTEROS (MP), modulating the auxin gene response magnitude during the transition between division and differentiation in the root meristem. Moreover, we provide evidence that BRX is activated at the plasma membrane level as an associated protein before moving into the nucleus to modulate cellular growth.To investigate the discrepancy between the auxin concentration and the expression pattern of its downstream targets, we combined experimental and computational approaches. Expression profiles deviating from the auxin gradient could only be modeled after intersection of auxin activity with the observed differential endocytosis pattern and with positive auto- regulatory feedback through plasma- membrane-to-nucleus transfer of BRX. Because BRX is required for expression of certain auxin response factor targets, our data suggest a cell-type-specific endocytosis-dependent input into transcriptional auxin perception. This input sustains expression of a subset of auxin-responsive genes across the root meristem's division and transition zones and is essential for meristem growth. Thus, the endocytosis pattern provides specific positional information to modulate auxin response. RésuméLes plantes croissent continuellement tout au long de leur cycle de vie. Comprendre et expliquer les mécanismes impliqués dans ce phénomène reste à l'heure actuelle, un défi. L'hormone auxine a été identifiée comme une molécule essentielle à la régulation de la croissance des plantes, car impliquée dans la plupart des processus développementaux. Dans la racine, le transport polaire de l'auxine, par la génération d'un pic de concentration, spécifie et maintient la niche de cellules souches, et par la génération d'un gradient de concentration, contrôle la prolifération et la différentiation cellulaire. Puisque l'auxine est essentielle pour l'organisation et la maintenance du système racinaire, il est considéré comme son principal morphogène. Récemment, dans la plante modèle, Arabidopsis thalinana, un criblage des variations génétique a permis d'identifier le gène Brevis radix (BRX) comme facteur limitant l'expression des gènes de réponse à l'auxine et par là même, la croissance de la racine.Dans ce travail, nous avons découvert que BRX est une cible direct de l'auxine qui rétroactive positivement le signalement de l'hormone, agissant ainsi comme un régulateur transcriptionnel à travers l'interaction avec la protéine Monopteros (MP) de la famille des facteurs de réponse à l'auxine (Auxin Responsive Factor, ARF), et modulant ainsi la magnitude de la réponse des gènes reliés à l'auxine durant la division et la différentiation cellulaire dans le méristème de la racine. De plus, nous fournissons des preuves que BRX est activées au niveau de la membrane plasmique, tel une protéine associée se déplaçant à l'intérieur du noyau et modulant la croissance cellulaire.Pour mener à bien l'investigation des divergences entre la concentration de l'auxine et les schémas d'expression de ses propres gènes cibles, nous avons combiné les approches expérimentales et computationnelles. Les profiles d'expressions déviant du gradient d'auxine pourraient seulement être modéliser après intersection de l'activité de l'auxine avec les schémas différentiels d'endocytose observés et les boucles de rétroaction positives et autorégulatrices par le transfert de BRX de la membrane plasmique au noyau. Puisque BRX est requis pour l'expression de certains gènes cibles des facteurs de réponse à l'auxine, nos données suggèrent une contribution dépendante d'une endocytose spécifique au type de cellule dans la perception transcriptionnelle à l'auxine Cette contribution soutient l'expression d'un sous-set de gène de réponse à l'auxine dans la division du méristème racinaire et la zone de transition, et par conséquent, est essentielle pour la croissance méristematique. Ainsi, le schéma d'endocytose fournit des informations positionnelles spécifiques à la modulation de la réponse à l'auxine.

Distribution of events of positive selection and population differentiation in a metabolic pathway: the case of asparagine N-glycosylation

Asparagine N-Glycosylation is one of the most important forms of protein post-translational modification in eukaryotes. This metabolic pathway can be subdivided into two parts: an upstream sub-pathway required for achieving proper folding for most of the proteins synthesized in the secretory pathway, and a downstream sub-pathway required to give variability to trans-membrane proteins, and involved in adaptation to the environment and innate immunity. Here we analyze the nucleotide variability of the genes of this pathway in human populations, identifying which genes show greater population differentiation and which genes show signatures of recent positive selection. We also compare how these signals are distributed between the upstream and the downstream parts of the pathway, with the aim of exploring how forces of population differentiation and positive selection vary among genes involved in the same metabolic pathway but subject to different functional constraints. Our results show that genes in the downstream part of the pathway are more likely to show a signature of population differentiation, while events of positive selection are equally distributed among the two parts of the pathway. Moreover, events of positive selection are frequent on genes that are known to be at bifurcation points, and that are identified as being in key position by a network-level analysis such as MGAT3 and GCS1. These findings indicate that the upstream part of the Asparagine N-Glycosylation pathway has lower diversity among populations, while the downstream part is freer to tolerate diversity among populations. Moreover, the distribution of signatures of population differentiation and positive selection can change between parts of a pathway, especially between parts that are exposed to different functional constraints. Our results support the hypothesis that genes involved in constitutive processes can be expected to show lower population differentiation, while genes involved in traits related to the environment should show higher variability. Taken together, this work broadens our knowledge on how events of population differentiation and of positive selection are distributed among different parts of a metabolic pathway.

Recognition of Gram-positive Intestinal Bacteria by Hybridoma- and Colostrum-derived Secretory Immunoglobulin A Is Mediated by Carbohydrates.

Humans live in symbiosis with 10(14) commensal bacteria among which >99% resides in their gastrointestinal tract. The molecular bases pertaining to the interaction between mucosal secretory IgA (SIgA) and bacteria residing in the intestine are not known. Previous studies have demonstrated that commensals are naturally coated by SIgA in the gut lumen. Thus, understanding how natural SIgA interacts with commensal bacteria can provide new clues on its multiple functions at mucosal surfaces. Using fluorescently labeled, nonspecific SIgA or secretory component (SC), we visualized by confocal microscopy the interaction with various commensal bacteria, including Lactobacillus, Bifidobacteria, Escherichia coli, and Bacteroides strains. These experiments revealed that the interaction between SIgA and commensal bacteria involves Fab- and Fc-independent structural motifs, featuring SC as a crucial partner. Removal of glycans present on free SC or bound in SIgA resulted in a drastic drop in the interaction with Gram-positive bacteria, indicating the essential role of carbohydrates in the process. In contrast, poor binding of Gram-positive bacteria by control IgG was observed. The interaction with Gram-negative bacteria was preserved whatever the molecular form of protein partner used, suggesting the involvement of different binding motifs. Purified SIgA and SC from either mouse hybridoma cells or human colostrum exhibited identical patterns of recognition for Gram-positive bacteria, emphasizing conserved plasticity between species. Thus, sugar-mediated binding of commensals by SIgA highlights the currently underappreciated role of glycans in mediating the interaction between a highly diverse microbiota and the mucosal immune system.

Consequences of gestational stress on GABAergic modulation of respiratory activity in developing newborn pups.

The GABAergic system modulates respiratory activity and undergoes substantial changes during early life. Because this maturation process is sensitive to stress, we tested the hypothesis that gestational stress (GS) alters development of GABAergic modulation of respiratory control in rat pups. The respiratory responses to the selective GABAA receptor agonist muscimol were compared between pups born to dams subjected to GS (bright light and predator odor; 20 min/day from G9 to G19) or maintained under standard (control) conditions. Respiratory activity was measured on 1 and 4 days old pups of both sexes using in vivo (whole body plethysmography) and in vitro (isolated brainstem-spinal cord preparation) approaches. In intact pups, muscimol injection (0.75 mg/kg; i.p.) depressed minute ventilation; this response was less in GS pups, and at P4, muscimol augmented minute ventilation in GS females. Bath application of muscimol (0.01-0.5 μM) onto brainstem preparations decreased inspiratory (C4) burst frequency and amplitude in a dose-dependent manner; the responsiveness decreased with age. However, GS had limited effects on these results. We conclude that the results obtained in vivo are consistent with our hypothesis and show that GS delays maturation of GABAergic modulation of respiratory activity. The differences in the results observed between experimental approaches (in vivo versus in vitro) indicate that the effect of prenatal stress on maturation of GABAergic modulation of respiratory control mainly affects the peripheral/metabolic components of the respiratory control system.

Interpreting Breast International Group (BIG) 1-98: a randomized, double-blind, phase III trial comparing letrozole and tamoxifen as adjuvant endocrine therapy for postmenopausal women with hormone receptor-positive, early breast cancer.

The Breast International Group (BIG) 1-98 study is a four-arm trial comparing 5 years of monotherapy with tamoxifen or with letrozole or with sequences of 2 years of one followed by 3 years of the other for postmenopausal women with endocrine-responsive early invasive breast cancer. From 1998 to 2003, BIG -98 enrolled 8,010 women. The enhanced design f the trial enabled two complementary analyses of efficacy and safety. Collection of tumor specimens further enabled treatment comparisons based on tumor biology. Reports of BIG 1-98 should be interpreted in relation to each individual patient as she weighs the costs and benefits of available treatments. Clinicaltrials.gov ID: NCT00004205.

Intracellular thiol-mediated modulation of epithelial sodium channel activity.

The epithelial sodium channel ENaC is physiologically important in the kidney for the regulation of the extracellular fluid volume, and in the lungs for the maintenance of the appropriate airway surface liquid volume that lines the pulmonary epithelium. Besides the regulation of ENaC by hormones, intracellular factors such as Na(+) ions, pH, or Ca(2+) are responsible for fast adaptive responses of ENaC activity to changes in the intracellular milieu. In this study, we show that ENaC is rapidly and reversibly inhibited by internal sulfhydryl-reactive molecules such as methanethiosulfonate derivatives of different sizes, the metal cations Cd(2+) and Zn(2+), or copper(II) phenanthroline, a mild oxidizing agent that promotes the formation of disulfide bonds. At the single channel level, these agents applied intracellularly induce the appearance of long channel closures, suggesting an effect on ENaC gating. The intracellular reducing agent dithiothreitol fully reverses the rundown of ENaC activity in inside-out patches. Our observations suggest that changes in intracellular redox potential modulate ENaC activity and may regulate ENaC-mediated Na(+) transport in epithelia. Finally, substitution experiments reveal that multiple cysteine residues in the amino and carboxyl termini of ENaC subunits are responsible for this thiol-mediated inhibition of ENaC.

The complete genome sequence of the gram-positive bacterium Bacillus subtilis.

Bacillus subtilis is the best-characterized member of the Gram-positive bacteria. Its genome of 4,214,810 base pairs comprises 4,100 protein-coding genes. Of these protein-coding genes, 53% are represented once, while a quarter of the genome corresponds to several gene families that have been greatly expanded by gene duplication, the largest family containing 77 putative ATP-binding transport proteins. In addition, a large proportion of the genetic capacity is devoted to the utilization of a variety of carbon sources, including many plant-derived molecules. The identification of five signal peptidase genes, as well as several genes for components of the secretion apparatus, is important given the capacity of Bacillus strains to secrete large amounts of industrially important enzymes. Many of the genes are involved in the synthesis of secondary metabolites, including antibiotics, that are more typically associated with Streptomyces species. The genome contains at least ten prophages or remnants of prophages, indicating that bacteriophage infection has played an important evolutionary role in horizontal gene transfer, in particular in the propagation of bacterial pathogenesis.