Mechanisms and regulation of epithelial Ca2+ absorption in health and disease

Ca2+ is essential for numerous physiological functions in our bodies. Therefore, its homeostasis is finely maintained through the coordination of intestinal absorption, renal reabsorption, and bone resorption. The Ca2+-selective epithelial channels TRPV5 and TRPV6 have been identified, and their physiological roles have been revealed: TRPV5 is important in final renal Ca2+ reabsorption, and TRPV6 has a key role in intestinal Ca2+ absorption. The TRPV5 knockout mice exhibit renal leak hypercalciuria and accordingly upregulate their intestinal TRPV6 expression to compensate for their negative Ca2+ balance. In contrast, despite their severe negative Ca2+ balance, TRPV6-null mice do not display any compensatory mechanism, thus resulting in secondary hyperparathyroidism. These results indicate that the genes for TRPV5 and TRPV6 are differentially regulated in human diseases associated with disturbed Ca2+ balance such as hypercalciuria, osteoporosis, and vitamin D-resistant rickets.

A Drosophila XPD model links cell cycle coordination with neuro-development and suggests links to cancer

XPD functions in transcription, DNA repair and in cell cycle control. Mutations in human XPD (also known as ERCC2) mainly cause three clinical phenotypes: xeroderma pigmentosum (XP), Cockayne syndrome (XP/CS) and trichothiodystrophy (TTD), and only XP patients have a high predisposition to developing cancer. Hence, we developed a fly model to obtain novel insights into the defects caused by individual hypomorphic alleles identified in human XP-D patients. This model revealed that the mutations that displayed the greatest in vivo UV sensitivity in Drosophila did not correlate with those that led to tumor formation in humans. Immunoprecipitations followed by targeted quantitative MS/MS analysis showed how different xpd mutations affected the formation or stability of different transcription factor IIH (TFIIH) subcomplexes. The XP mutants most clearly linked to high cancer risk, Xpd R683W and R601L, showed a reduced interaction with the core TFIIH and also an abnormal interaction with the Cdk-activating kinase (CAK) complex. Interestingly, these two XP alleles additionally displayed high levels of chromatin loss and free centrosomes during the rapid nuclear division phase of the Drosophila embryo. Finally, the xpd mutations showing defects in the coordination of cell cycle timing during the Drosophila embryonic divisions correlated with those human mutations that cause the neurodevelopmental abnormalities and developmental growth defects observed in XP/CS and TTD patients.

Coordination of murine limb muscle, skeleton and connective tissue development by Lmx1b

The underlying genetic defects of a congenital disease Nail-Patella Syndrome are loss-of-function mutations in the LMX1B gene. Lmx1b encodes a LIM-homeodomain transcription factor that is expressed specifically in the dorsal limb bud mesenchyme. Gain- and loss-of-function experiments suggest that Lmx1b is both necessary and sufficient to specify dorsal limb patterning. However, how Lmx1b coordinates patterning of the dorsal tissues in the limb, including muscle, skeleton and connective tissues, remains unknown. One possibility is that each tissue specifies its own pattern cell-autonomously, i.e., Lmx1b is expressed in tissues in which it functions and different tissues do not communicate with each other. Another possibility is that tissues that express Lmx1b interact with adjacent tissues and provide patterning information thereby directing the development of tissues non-cell-autonomously. Previous results showed that Lmx1b is expressed in limb connective tissue and skeleton, but is not expressed in muscle tissue. Moreover, muscles and muscle connective tissue are closely associated during development. Therefore, we hypothesize that Lmx1b controls limb muscle dorsal-ventral (DV) patterning through muscle connective tissue, but regulates skeleton and tendon/ligament development cell-autonomously. ^ To test this hypothesis, we first examined when and where the limb dorsal-ventral asymmetry is established during development. Subsequently, conditional knockout and overexpression experiments were performed to delete or activate Lmx1b in different tissues within the limb. Our results show that deletion of Lmx1b from whole limb mesenchyme results in all dorsal tissues, including muscle, tendon/ligament and skeleton, transforming into ventral structures. Skeleton-specific knockout of Lmx1b led to the dorsal duplication of distal sesamoid and metacarpal bones, but did not affect the pattern formation of other tissues, suggesting that Lmx1b controls skeleton development cell-autonomously. In addition, this skeleton-specific pattern alteration only occurs in distal limb tissues, not proximal limb tissues, indicating different regulatory mechanisms operate along the limb proximal-distal axis. Moreover, skeleton-specific ectopic expression of Lmx1b reveals a complementary skeletal-specific dorsalized phenotype. This result supports a cell-autonomous role for Lmx1b in dorsal-ventral skeletal patterning. This study enriched our understanding of limb development, and the insights from this research may also be applicable for the development of other organs. ^

Experiment: Dissecting the impact of CO2 and pH on the mechanisms of photosynthesis and calcification in the coccolithophore Emiliania huxleyi

Coccolithophores are important calcifying phytoplankton predicted to be impacted by changes in ocean carbonate chemistry caused by the absorption of anthropogenic CO2. However, it is difficult to disentangle the effects of the simultaneously changing carbonate system parameters (CO2, bicarbonate, carbonate and protons) on the physiological responses to elevated CO2. Here, we adopted a multifactorial approach at constant pH or CO2 whilst varying dissolved inorganic carbon (DIC) to determine physiological and transcriptional responses to individual carbonate system parameters. We show that Emiliania huxleyi is sensitive to low CO2 (growth and photosynthesis) and low bicarbonate (calcification) as well as low pH beyond a limited tolerance range, but is much less sensitive to elevated CO2 and bicarbonate. Multiple up-regulated genes at low DIC bear the hallmarks of a carbon-concentrating mechanism (CCM) that is responsive to CO2 and bicarbonate but not to pH. Emiliania huxleyi appears to have evolved mechanisms to respond to limiting rather than elevated CO2. Calcification does not function as a CCM, but is inhibited at low DIC to allow the redistribution of DIC from calcification to photosynthesis. The presented data provides a significant step in understanding how E. huxleyi will respond to changing carbonate chemistry at a cellular level

Contribution to flexible service coordination in mobile prosumer environments

Este trabajo de Tesis se desarrolla en el marco de los escenarios de ejecución distribuida de servicios móviles y contribuye a la definición y desarrollo del concepto de usuario prosumer. El usuario prosumer se caracteriza por utilizar su teléfono móvil para crear, proveer y ejecutar servicios. Este nuevo modelo de usuario contribuye al avance de la sociedad de la información, ya que el usuario prosumer se transforma de creador de contenidos a creador de servicios (estos últimos formados por contenidos y la lógica para acceder a ellos, procesarlos y representarlos). El objetivo general de este trabajo de Tesis es la provisión de un modelo de creación, distribución y ejecución de servicios para entorno móvil que permita a los usuarios no programadores (usuarios prosumer), pero expertos en un determinado dominio, crear y ejecutar sus propias aplicaciones y servicios. Para ello se definen, desarrollan e implementan metodologías, procesos, algoritmos y mecanismos adaptables a dominios específicos, para construir entornos de ejecución distribuida de servicios móviles para usuarios prosumer. La provisión de herramientas de creación adaptadas a usuarios no expertos es una tendencia actual que está siendo desarrollada en distintos trabajos de investigación. Sin embargo, no se ha propuesto una metodología de desarrollo de servicios que involucre al usuario prosumer en el proceso de diseño, desarrollo, implementación y validación de servicios. Este trabajo de Tesis realiza un estudio de las metodologías y tecnologías más innovadoras relacionadas con la co‐creación y utiliza este análisis para definir y validar una metodología que habilita al usuario para ser el responsable de la creación de servicios finales. Siendo los entornos móviles prosumer (mobile prosumer environments) una particularización de los entornos de ejecución distribuida de servicios móviles, en este trabajo se tesis se investiga en técnicas de adaptación, distribución, coordinación de servicios y acceso a recursos identificando como requisitos las problemáticas de este tipo de entornos y las características de los usuarios que participan en los mismos. Se contribuye a la adaptación de servicios definiendo un modelo de variabilidad que soporte la interdependencia entre las decisiones de personalización de los usuarios, incorporando mecanismos de guiado y detección de errores. La distribución de servicios se implementa utilizando técnicas de descomposición en árbol SPQR, cuantificando el impacto de separar cualquier servicio en distintos dominios. Considerando el plano de comunicaciones para la coordinación en la ejecución de servicios distribuidos hemos identificado varias problemáticas, como las pérdidas de enlace, conexiones, desconexiones y descubrimiento de participantes, que resolvemos utilizando técnicas de diseminación basadas en publicación subscripción y algoritmos Gossip. Para lograr una ejecución flexible de servicios distribuidos en entorno móvil, soportamos la adaptación a cambios en la disponibilidad de los recursos, proporcionando una infraestructura de comunicaciones para el acceso uniforme y eficiente a recursos. Se han realizado validaciones experimentales para evaluar la viabilidad de las soluciones propuestas, definiendo escenarios de aplicación relevantes (el nuevo universo inteligente, prosumerización de servicios en entornos hospitalarios y emergencias en la web de la cosas). Abstract This Thesis work is developed in the framework of distributed execution of mobile services and contributes to the definition and development of the concept of prosumer user. The prosumer user is characterized by using his mobile phone to create, provide and execute services. This new user model contributes to the advancement of the information society, as the prosumer is transformed from producer of content, to producer of services (consisting of content and logic to access them, process them and represent them). The overall goal of this Thesis work is to provide a model for creation, distribution and execution of services for the mobile environment that enables non‐programmers (prosumer users), but experts in a given domain, to create and execute their own applications and services. For this purpose I define, develop and implement methodologies, processes, algorithms and mechanisms, adapted to specific domains, to build distributed environments for the execution of mobile services for prosumer users. The provision of creation tools adapted to non‐expert users is a current trend that is being developed in different research works. However, it has not been proposed a service development methodology involving the prosumer user in the process of design, development, implementation and validation of services. This thesis work studies innovative methodologies and technologies related to the co‐creation and relies on this analysis to define and validate a methodological approach that enables the user to be responsible for creating final services. Being mobile prosumer environments a specific case of environments for distributed execution of mobile services, this Thesis work researches in service adaptation, distribution, coordination and resource access techniques, and identifies as requirements the challenges of such environments and characteristics of the participating users. I contribute to service adaptation by defining a variability model that supports the dependency of user personalization decisions, incorporating guiding and error detection mechanisms. Service distribution is implemented by using decomposition techniques based on SPQR trees, quantifying the impact of separating any service in different domains. Considering the communication level for the coordination of distributed service executions I have identified several problems, such as link losses, connections, disconnections and discovery of participants, which I solve using dissemination techniques based on publish‐subscribe communication models and Gossip algorithms. To achieve a flexible distributed service execution in mobile environments, I support adaptation to changes in the availability of resources, while providing a communication infrastructure for the uniform and efficient access to resources. Experimental validations have been conducted to assess the feasibility of the proposed solutions, defining relevant application scenarios (the new intelligent universe, service prosumerization in hospitals and emergency situations in the web of things).

How amoeboids self-organize into a fruiting body: Multicellular coordination in Dictyostelium discoideum

When individual amoebae of the cellular slime mold Dictyostelium discoideum are starving, they aggregate to form a multicellular migrating slug, which moves toward a region suitable for culmination. The culmination of the morphogenesis involves complex cell movements that transform a mound of cells into a globule of spores on a slender stalk. The movement has been likened to a “reverse fountain,” whereby prestalk cells in the upper part form a stalk that moves downwards and anchors to the substratum, while prespore cells in the lower part move upwards to form the spore head. So far, however, no satisfactory explanation has been produced for this process. Using a computer simulation that we developed, we now demonstrate that the processes that are essential during the earlier stages of the morphogenesis are in fact sufficient to produce the dynamics of the culmination stage. These processes are cAMP signaling, differential adhesion, cell differentiation, and production of extracellular matrix. Our model clarifies the processes that generate the observed cell movements. More specifically, we show that periodic upward movements, caused by chemotactic motion, are essential for successful culmination, because the pressure waves they induce squeeze the stalk downwards through the cell mass. The mechanisms revealed by our model have a number of self-organizing and self-correcting properties and can account for many previously unconnected and unexplained experimental observations.

Subunit interactions in coordination of Ni2+ in cyclic nucleotide-gated channels.

Cyclic nucleotide-gated (CNG) channels present a unique model for studying the molecular mechanisms of channel gating. We have studied the mechanism of potentiation of expressed rod CNG channels by Ni2+ as a first step toward understanding the channel gating process. Here we report that coordination of Ni2+ between histidine residues (H420) on adjacent channel subunits occurs when the channels are open. Mutation of H420 to lysine completely eliminated the potentiation by Ni2+ but did not markedly alter the apparent cGMP affinity of the channel, indicating that the introduction of positive charge at the Ni(2+)-binding site was not sufficient to produce potentiation. Deletion or mutation of most of the other histidines present in the channel did not diminish potentiation by Ni2+. We studied the role of subunit interactions in Ni2+ potentiation by generating heteromultimeric channels using tandem dimers of the rod CNG channel sequence. Injection of single heterodimers in which one subunit contained H420 and the other did not (wt/H420Q or H420Q/wt) resulted in channels that were not potentiated by Ni2+. However, coinjection of both heterodimers into Xenopus oocytes resulted in channels that exhibited potentiation. The H420 residues probably occurred predominantly in nonadjacent subunits when each heterodimer was injected individually, but, when the two heterodimers were coinjected, the H420 residues could occur in adjacent subunits as well. These results suggest that the mechanism of Ni2+ potentiation involves intersubunit coordination of Ni2+ by H420. Based on the preferential binding of Ni2+ to open channels, we suggest that alignment of H420 residues of neighboring subunits into the Ni(2+)-coordinating position may be associated with channel opening.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Information Processing: Coordination and Control in Large Hotels

A number of factors influence the information processing needs of organizations, particularly with respect to the coordination and control mechanisms within a hotel. The authors use a theoretical framework to illustrate alternative mechanisms that can be used to coordinate and control hotel operations.

Structural differentiation and corporate venturing : the moderating role of formal and informal integration mechanisms

Research has suggested that corporate venturing is crucial to strategic renewal and firm performance, yet scholars still debate the appropriate organizational configurations to facilitate the creation of new businesses in existing organizations. Our study investigates the effectiveness of combining structural differentiation with formal and informal organizational as well as top management team integration mechanisms in establishing an appropriate context for venturing activities. Our findings suggest that structural differentiation has a positive effect on corporate venturing. In addition, our study indicates that a shared vision has a positive effect on venturing in a structurally differentiated context. Socially integrated senior teams and cross-functional interfaces, however, are ineffective integration mechanisms for establishing linkages across differentiated units and for successfully pursuing corporate venturing.