The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

A novel, bedside technique to rapidly identify umbilical cord blood units with high total nucleated cell numbers

BACKGROUND With increasing demand for umbilical cord blood units (CBUs) with total nucleated cell (TNC) counts of more than 150 × 10(7) , preshipping assessment is mandatory. Umbilical cord blood processing requires aseptic techniques and laboratories with specific air quality and cleanliness. Our aim was to establish a fast and efficient method for determining TNC counts at the obstetric ward without exposing the CBU to the environment. STUDY DESIGN AND METHODS Data from a total of 151 cord blood donations at a single procurement site were included in this prospective study. We measured TNC counts in cord blood aliquots taken from the umbilical cord (TNCCord ), from placenta (TNCPlac ), and from a tubing segment of the sterile collection system (TNCTS ). TNC counts were compared to reference TNC counts in the CBU which were ascertained at the cord blood bank (TNCCBU ). RESULTS TNCTS counts (173 ± 33 × 10(7) cells; calculated for 1 unit) correlated fully with the TNCCBU reference counts (166 ± 33 × 10(7) cells, Pearson's r = 0.97, p < 0.0001). In contrast, TNCCord and TNCPlac counts were more disparate from the reference (r = 0.92 and r = 0.87, respectively). CONCLUSIONS A novel method of measuring TNC counts in tubing segments from the sterile cord blood collection system allows rapid and correct identification of CBUs with high cell numbers at the obstetric ward without exposing cells to the environment. This approach may contribute to cost efficacy as only CBUs with satisfactory TNC counts need to be shipped to the cord blood bank.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Understanding human genome regulation through entropic graph-based regularization and submodular optimization

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Exploration of the cell-cycle genes found within the RIKEN FANTOM2 data set

The cell cycle is one of the most fundamental processes within a cell. Phase-dependent expression and cell-cycle checkpoints require a high level of control. A large number of genes with varying functions and modes of action are responsible for this biology. In a targeted exploration of the FANTOM2-Variable Protein Set, a number of mouse homologs to known cell-cycle regulators as well as novel members of cell-cycle families were identified. Focusing on two prototype cell-cycle families, the cyclins and the NIMA-related kinases (NEKs), we believe we have identified all of the mouse members of these families, 24 cyclins and 10 NEKs, and mapped them to ENSEMBL transcripts. To attempt to globally identify all potential cell cycle-related genes within mouse, the MGI (Mouse Genome Database) assignments for the RIKEN Representative Set (RPS) and the results from two homology-based queries were merged. We identified 1415 genes with possible cell-cycle roles, and 1758 potential paralogs. We comment on the genes identified in this screen and evaluate the merits of each approach.

The 2.1 angstrom crystal structure of copGFP, a representative member of the copepod clade within the green fluorescent protein superfamily

The green fluorescent protein (avGFP), its variants, and the closely related GFP-like proteins are characterized structurally by a cyclic tri-peptide chromophore located centrally within a conserved beta-can fold. Traditionally, these GFP family members have been isolated from the Cnidaria although recently, distantly related GFP-like proteins from the Bilateria, a sister group of the Cnidaria have been described, although no representative structure from this phylum has been reported to date. We have determined to 2.1 angstrom resolution the crystal structure of copGFP, a representative GFP-like protein from a copepod, a member of the Bilateria. The structure of copGFP revealed that, despite sharing only 19% sequence identity with GFP, the tri-peptide chromophore (Gly57-Tyr58-Gly59) of copGFP adopted a cis coplanar conformation within the conserved beta-can fold. However, the immediate environment surrounding the chromophore of copGFP was markedly atypical when compared to other members of the GFP-superfamily, with a large network of bulky residues observed to surround the chromophore. Arg87 and Glu222 (GFP numbering 96 and 222), the only two residues conserved between copGFP, GFP and GFP-like proteins are involved in autocatalytic genesis of the chromophore. Accordingly, the copGFP structure provides an alternative platform for the development of a new suite of fluorescent protein tools. Moreover, the structure suggests that the autocatalytic genesis of the chromophore is remarkably tolerant to a high degree of sequence and structural variation within the beta-can fold of the GFP superfamily. (c) 2006 Elsevier Ltd . All rights reserved.

Assessment of epidermal cell viability by near infrared multi-photon microscopy following ballistic delivery of gold micro-particles

The use of gene guns in ballistically delivering DNA vaccine coated gold micro-particles to skin can potentially damage targeted cells, therefore influencing transfection efficiencies. In this paper, we assess cell death in the viable epidermis by non-invasive near infrared two-photon microscopy following micro-particle bombardment of murine skin. We show that the ballistic delivery of micro-particles to the viable epidermis can result in localised cell death. Furthermore, experimental results show the degree of cell death is dependant on the number of micro-particles delivered per unit of tissue surface area. Micro-particles densities of 0.16 +/- 0.27 (mean +/- S.D.), 1.35 +/- 0.285 and 2.72 +/- 0.47 per 1000 mu m(2) resulted in percent deaths of 3.96 +/- 5.22, 45.91 +/- 10.89, 90.52 +/- 12.28, respectively. These results suggest that optimization of transfection by genes administered with gene guns is - among other effects - a compromise of micro-particle payload and cell death. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Microarray analysis of expression of cell death-associated genes in rat spinal cord cells exposed to cyclic tensile stresses in vitro

The application of mechanical insults to the spinal cord results in profound cellular and molecular changes, including the induction of neuronal cell death and altered gene expression profiles. Previous studies have described alterations in gene expression following spinal cord injury, but the specificity of this response to mechanical stimuli is difficult to investigate in vivo. Therefore, we have investigated the effect of cyclic tensile stresses on cultured spinal cord cells from E15 Sprague-Dawley rats, using the FX3000 Flexercell Strain Unit. We examined cell morphology and viability over a 72 hour time course. Microarray analysis of gene expression was performed using the Affymetrix GeneChip System, where categorization of identified genes was performed using the Gene Ontology (GO) and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) systems. Changes in expression of 12 genes were validated with quantitative real-time reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR).

Liposomes act as stronger sub-unit vaccine adjuvants when compared to microspheres

The ability of liposomes and microspheres to enhance the efficacy of a sub-unit antigen was investigated. Microspheres were optimised by testing a range of surfactants employed in the external aqueous phase of a water-in-oil-in-water (w/o/w) double emulsion solvent evaporation process for the preparation of microspherescomposed of poly(d,l-lactide-co-glycolide) and the immunological adjuvant dimethyl dioctadecyl ammonium bromide (DDA)and then investigated with regard to the physico-chemical and immunological characteristics of the particles produced. The results demonstrate that this parameter can affect the physico-chemical characteristics of these systems and subsequently, has a substantial bearing on the level of immune response achieved, both humoural and cell mediated, when employed for the delivery of the sub-unit tuberculosis vaccine antigen Ag85B-ESAT-6. Moreover, the microsphere preparations investigated failed to initiate immune responses at the levels achieved with an adjuvant DDA-based liposome formulation (DDA-TDB), further substantiating the superior ability of liposomes as vaccine delivery systems.

Formulation and characterisation of an effective particulate delivery vehicle for the novel sub-unit vaccine antigen, Ag85B-ESAT-6

This research focused on the formation of particulate delivery systems for the sub-unit fusion protein, Ag85B-ESAT-6, a promising tuberculosis (TB) vaccine candidate. Initial work concentrated on formulating and characterising, both physico-chemically and immunologically, cationic liposomes based on the potent adjuvant dimethyl dioctadecyl ammonium (DDA). These studies demonstrated that addition of the immunomodulatory trehalose dibehenate (TDB) enhanced the physical stability of the system whilst also adding further adjuvanticity. Indeed, this formulation was effective in stimulating both a cell mediated and humoural immune response. In order to investigate an alternative to the DDA-TDB system, microspheres based on poly(DL-lactide-co-glycolide) (PLGA) incorporating the adjuvants DDA and TDB, either alone or in combination, were first optimised in terms of physico-chemical characteristics, followed by immunological analysis. The formulation incorporating PLGA and DDA emerged as the lead candidate, with promising protection data against TB. Subsequent optimisation of the lead microsphere formulation investigated the effect of several variables involved in the formulation process on physico-chemical and immunological characteristics of the particles produced. Further, freeze-drying studies were carried out with both sugar-based and amino acid-based cryoprotectants, in order to formulate a stable freexe-dried product. Finally, environmental scanning electron microscopy (ESEM) was investigated as a potential alternative to conventional SEM for the morphological investigation of microsphere formulations. Results revealed that the DDA-TDB liposome system proved to be the most immunologically efficient delivery vehicle studied, with high levels of antibody and cytokine production, particularly gamma-interferon (IFN-ϒ), considered the key cytokine marker for anti-mycobacterial immunity. Of the microsphere systems investigated, PLGA in combination with DDA showed the most promise, with an ability to initiate a broad spectrum of cytokine production, as well as antigen specific spleen cell proliferation comparable to that of the DDA-TDB formulation.

A preliminary investigation into the impact of a pesticide combination on human neuronal and glial cell lines in vitro

Many pesticides are used increasingly in combinations during crop protection and their stability ensures the presence of such combinations in foodstuffs. The effects of three fungicides, pyrimethanil, cyprodinil and fludioxonil, were investigated together and separately on U251 and SH-SY5Y cells, which can be representative of human CNS glial and neuronal cells respectively. Over 48h, all three agents showed significant reductions in cellular ATP, at concentrations that were more than tenfold lower than those which significantly impaired cellular viability. The effects on energy metabolism were reflected in their marked toxic effects on mitochondrial membrane potential. In addition, evidence of oxidative stress was seen in terms of a fall in cellular thiols coupled with increases in the expression of enzymes associated with reactive species formation, such as GSH peroxidase and superoxide dismutase. The glial cell line showed significant responsiveness to the toxin challenge in terms of changes in antioxidant gene expression, although the neuronal SH-SY5Y line exhibited greater vulnerability to toxicity, which was reflected in significant increases in caspase-3 expression, which is indicative of the initiation of apoptosis. Cyprodinil was the most toxic agent individually, although oxidative stress-related enzyme gene expression increases appeared to demonstrate some degree of synergy in the presence of the combination of agents. This report suggests that the impact of some pesticides, both individually and in combinations, merits further study in terms of their impact on human cellular health.

Developing solid particulate vaccine adjuvants - surface bound antigen favouring a humoural response, whereas entrapped antigen shows a tendency for cell mediated immunity

This present study compares the efficacy of microsphere formulations, and their method of antigen presentation, for the delivery of the TB sub-unit vaccine antigen, Ag85B-ESAT-6. Microspheres based on poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) and chitosan incorporating dimethyldioctadecylammonium bromide (DDA) were prepared by either the w/o/w double emulsion method (entrapped antigen) or the o/w single emulsion method (surface bound antigen), and characterised for their physico-chemical properties and their ability to promote an immune response to Ag85B-ESAT-6. The method of preparation, and hence method of antigen association, had a pronounced effect on the type of immune response achieved from the microsphere formulations, with surface bound antigen favouring a humoural response, whereas entrapped antigen favoured a cellular response.

Developing solid particulate vaccine adjuvants:surface bound antigen favouring a humoural response, whereas entrapped antigen shows a tendency for cell mediated immunity

This present study compares the efficacy of microsphere formulations, and their method of antigen presentation, for the delivery of the TB sub-unit vaccine antigen, Ag85B-ESAT-6. Microspheres based on poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) and chitosan incorporating dimethyldioctadecylammonium bromide (DDA) were prepared by either the w/o/w double emulsion method (entrapped antigen) or the o/w single emulsion method (surface bound antigen), and characterised for their physico-chemical properties and their ability to promote an immune response to Ag85B-ESAT-6. The method of preparation, and hence method of antigen association, had a pronounced effect on the type of immune response achieved from the microsphere formulations, with surface bound antigen favouring a humoural response, whereas entrapped antigen favoured a cellular response.

Establishing an EGFR mutation screening service for non-small cell lung cancer - sample quality criteria and candidate histological predictors.

INTRODUCTION: EGFR screening requires good quality tissue, sensitivity and turn-around time (TAT). We report our experience of routine screening, describing sample type, TAT, specimen quality (cellularity and DNA yield), histopathological description, mutation result and clinical outcome. METHODS: Non-small cell lung cancer (NSCLC) sections were screened for EGFR mutations (M+) in exons 18-21. Clinical, pathological and screening outcome data were collected for year 1 of testing. Screening outcome alone was collected for year 2. RESULTS: In year 1, 152 samples were tested, most (72%) were diagnostic. TAT was 4.9 days (95%confidence interval (CI)=4.5-5.5). EGFR-M+ prevalence was 11% and higher (20%) among never-smoking women with adenocarcinomas (ADCs), but 30% of mutations occurred in current/ex-smoking men. EGFR-M+ tumours were non-mucinous ADCs and 100% thyroid transcription factor (TTF1+). No mutations were detected in poorly differentiated NSCLC-not otherwise specified (NOS). There was a trend for improved overall survival (OS) among EGFR-M+ versus EGFR-M- patients (median OS=78 versus 17 months). In year 1, test failure rate was 19%, and associated with scant cellularity and low DNA concentrations. However 75% of samples with poor cellularity but representative of tumour were informative and mutation prevalence was 9%. In year 2, 755 samples were tested; mutation prevalence was 13% and test failure only 5.4%. Although samples with low DNA concentration (2.2 ng/μL), the mutation rate was 9.2%. CONCLUSION: Routine epidermal growth factor receptor (EGFR) screening using diagnostic samples is fast and feasible even on samples with poor cellularity and DNA content. Mutations tend to occur in better-differentiated non-mucinous TTF1+ ADCs. Whether these histological criteria may be useful to select patients for EGFR testing merits further investigation.