Organisation and role of actin microfilaments during cellular growth and morphogenesis in the moss Physcomitrella patens

ABSTRACT The network of actin cytoskeleton is composed of actin filaments (F-actin) that are made by polymerisation of actin monomers and actin binding proteins. It is required for growth and morphogenesis of eukaryotic cells. The labelling of F-actin with constitutively expressed GFP-Talin (Kost et al., 1998) reveals the organisation of cellular actin networks in plants. Due to the lack of information on actin cytoskeleton through gametophytic development of the model moss plant Physcornitrella patens, stable transgenic lines overexpressing GFP-Talin were generated to detect F-actin structures. It is shown that the 35S promoter driven expression is not suitable for F-actin labelling in all cells. When it is replaced by the inducible heat-shock promoter Gmhsp17.3 from soybean, one hour mild heat stress at 37°C followed by recovery at 25°C is enough to induce efficient and transient labelling in all tissues without altering cellular morphology. The optimal observations of F-actin structures at different stages of moss development can be done between 12-18 hours after the induction. By using confocal microscopy, we demonstrate that stellated actin arrays were densely accumulated at the growing tip in regenerating protoplasts, apical protonemal cells and rhizoids and connected with a fine dispersed F-actin mesh. Following three-dimensional growth, the cortical star-like structures are widespread in the meristematic cells of developing bud and young gametophores. On the contrary, undulating networks of actin cables are found at the final stage of cell differentiation. During redifferentiation of mature leaf cells into protonemal filaments the rather stagnant web of actin cables is replaced by diffuse actin meshwork. In eukaryotes, nucleation of the actin monomers prior to their polymerization is driven by the seven-subunit ARP2/3 complex and formins. We cloned the gene encoding the ARP3 subunit of P. patens and generated arp3 mutants of the moss through gene disruption. The knockout of ARP3 affects the elongation of chloronemal cells and blocks further differentiation of caulonemal cells and rhizoids, and the gametophores are slightly stunted compared to wild-type. The arp mutants were created in the heat-shock inducible GFP-Talin strains allowing us to visualise a disorganised actin network and a lack of star-like actin cytoskeleton arrays. We conclude that ARP2/3 dependent nucleation of actin filaments is critical for the growth of filamentous cells, which in turn influences moss colonization. In complementation assays, the overexpression of Physcomitrella and Arab idopsis ARP3 genes in the moss arp3 mutant results in full recovery of wild type phenotype. In contrast the ARP3 subunit of fission yeast is not able to complement the moss arp3 mutant of moss indicating that regulation of the ARP2/3 dependent actin nucleation diverged in different kingdoms. RESUME Le réseau d'actine est composé de filaments de F-actine et d'un ensemble de protéines s'y attachant (Actin binding proteins). Le réseau d'actine est nécessaire à la croissance et à la morphogenèse de toutes les cellules eucaryotes. Chez les plantes, le marquage ainsi que l'étude de l'organisation du réseau d'actine ont été réalisés en utilisant une fusion GFP-Talin (Kost et al., 1998) exprimée sous le control d'un promoteur constitutif. Afin d'étudier les structures F-actine dans les cellules de Physcomitrella Patens et pour combler le manque d'information sur le développement des gamétophores, des lignées transgéniques stables surexprimant GFP-Talin ont été crées. Nous avons démontré que l'utilisation du promoteur 35S est inadéquate pour le marquage complet et homogène des filaments d'actine dans toutes les cellules de P. patens. Par contre, l'utilisation du promoteur inductible Gmhsp17.3 nous a permis de réaliser un marquage transitoire et général dans tous les tissus de la mousse. Une heure de choc thermique à 37°C suivis d'un temps de récupération de 12-18h à 25°C sont les conditions optimales (sans dommages cellulaires) pour l'observation des structures F-actine à différentes étapes de développement de la mousse. En utilisant la microscopie confocale, nous avons observé l'existence de structures F-actine accumulées en forme d'étoiles. Ces structures, qui sont liées au réseau de microfilaments d'actine, ont été observées dans les protoplastes en régénération, les cellules des protonema apicales ainsi que dans les rhizoïdes. En suivant la croissance tridimensionnelle, ces structures en étoiles ont été observées dans les cellules meristématiques des bourgeons et des jeunes gamétophores. Par contre, dans les cellules différentiées ces structures laissent place à des réseaux de câbles épais. Nous avons également remarqué que durant la redifferentiation des cellules foliaires le réseau de câbles de F-actine est remplacé par un réseau de F-actine diffus. Dans les cellules eucaryotes, la nucléation des filaments d'actirie précédant leur polymérisation est contrôlé par sept sous unités du complexe ARP2/3 et par des formines. Nous avons isolé le gène codant pour la sous unité ARP3 de P. patens et nous avons crée des mutants arp3 par intégration ciblée (Knockout). L'élongation des cellules chloronema est clairement affectée dans les mutants arp3. La différentiation des caulonemata et des rhizoïdes est bloquée et les gametophores sont légèrement plus courts comparé au type sauvage. A fin d'étudier l'organisation des filaments d'actines dans les mutants arp3, nous avons aussi réalisé un arp3-knockout dans la lignée Hsp-GFP-Talin. La nouvelle lignée générée nous a permis de visualiser une désorganisation du réseau d'actine et une absence complète de structures de F-actine accumulée en forme d'étoiles. Les résultats obtenus nous amènent à conclure que la nucléation (ARP2/3 dépendante) des filaments d'actine est indispensable à la croissance des cellules filamenteuses. Par conséquent, les filaments d'actine semblent avoir un rôle dans la colonisation des milieux par les mousses. Nous avons également procédé à des essais de complémentation du mutant arp3. La surexpression des gènes ARP3 de Physcomitrella et d'Arabidopsis dans les cellules du mutant arp3 rétabli complètement le phénotype WT. Par contre, le gène ARP3 des levures n'est pas suffisant pour complémenter la même mutation dans les cellules de mousses. Ce résultat démontre que les mécanismes de régulation de la nucléation des filaments d'actine (ARP2/3 dépendante) sont différents entre les différents groupes d'eucaryotes.

The structure of nervous tissue and of Gram-positive bacteria studied by cryo-electron microscopy of vitreous sections

Résumé La structure, ou l'architecture, des êtres vivants définit le cadre dans lequel la physique de la vie s'accomplit. La connaissance de cette structure dans ses moindres détails est un but essentiel de la biologie. Son étude est toutefois entravée par des limitations techniques. Malgré son potentiel théorique, la microscopie électronique n'atteint pas une résolution atomique lorsqu'elle est appliquée ä la matièxe biologique. Cela est dû en grande partie au fait qu'elle contient beaucoup d'eau qui ne résiste pas au vide du microscope. Elle doit donc être déshydratée avant d'être introduite dans un microscope conventionnel. Des artéfacts d'agrégation en découlent inévitablement. La cryo-microscopie électronique des sections vitreuses (CEMOVIS) a ëté développée afin de résoudre cela. Les spécimens sont vitrifiés, c.-à-d. que leur eau est immobilisée sans cristalliser par le froid. Ils sont ensuite coupés en sections ultrafines et celles-ci sont observées à basse température. Les spécimens sont donc observés sous forme hydratée et non fixée; ils sont proches de leur état natif. Durant longtemps, CEMOVIS était très difficile à exécuter mais ce n'est plus le cas. Durant cette thèse, CEMOVIS a été appliqué à différents spécimens. La synapse du système nerveux central a été étudiée. La présence dans la fente synaptique d'une forte densité de molécules organisées de manière périodique a été démontrée. Des particules luminales ont été trouvées dans Ies microtubules cérébraux. Les microtubules ont servi d'objets-test et ont permis de démontrer que des détails moléculaires de l'ordre du nm sont préservés. La compréhension de la structure de l'enveloppe cellulaire des bactéries Grampositives aété améliorée. Nos observations ont abouti à l'élaboration d'un nouveau modèle hypothétique de la synthèse de la paroi. Nous avons aussi focalisé notre attention sur le nucléoïde bactérien et cela a suscité un modèle de la fonction des différents états structuraux du nucléoïde. En conclusion, cette thèse a démontré que CEMOVIS est une excellente méthode poux étudier la structure d'échantillons biologiques à haute résolution. L'étude de la structure de divers aspects des êtres vivants a évoqué des hypothèses quant à la compréhension de leur fonctionnement. Summary The structure, or the architecture, of living beings defines the framework in which the physics of life takes place. Understanding it in its finest details is an essential goal of biology. Its study is however hampered by technical limitations. Despite its theoretical potential, electron microscopy cannot resolve individual atoms in biological matter. This is in great part due to the fact. that it contains a lot of water that cannot stand the vacuum of the microscope. It must therefore be dehydrated before being introduced in a conventional mìcroscope. Aggregation artefacts unavoidably happen. Cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) has been developed to solve this problem. Specimens are vitrified, i.e. they are rapidly cooled and their water is immobilised without crystallising by the cold. They are then. sectioned in ultrathin slices, which are observed at low temperatures. Specimens are therefore observed in hydrated and unfixed form; they are close to their native state. For a long time, CEMOVIS was extremely tedious but this is not the case anymore. During this thesis, CEMOVIS was applied to different specimens. Synapse of central nervous system was studied. A high density of periodically-organised molecules was shown in the synaptic cleft. Luminal particles were found in brain microtubules. Microtubules, used as test specimen, permitted to demonstrate that molecular details of the order of nm .are preserved. The understanding of the structure of cell envelope of Gram-positive bacteria was improved. Our observations led to the elaboration of a new hypothetic model of cell wall synthesis. We also focused our attention on bacterial nucleoids and this also gave rise to a functional model of nucleoid structural states. In conclusion, this thesis demonstrated that CEMOVIS is an excellent method for studying the structure of bìologìcal specimens at high resolution. The study of the structure of various aspects of living beings evoked hypothesis for their functioning.

Roles of transient guidepost neurons in corpus callosum formation and guidance

RESUMENeurones transitoires jouant un rôle de cibles intermédiaires dans le guidage des axones du corps calleuxLe guidage axonal est une étape clé permettant aux neurones d'établir des connexions synaptiques et de s'intégrer dans un réseau neural fonctionnel de manière spécifique. Des cellules-cibles intermédiaires appelées « guidepost » aident les axones à parcourir de longues distances dans le cerveau en leur fournissant des informations directionnelles tout au long de leur trajet. Il a été démontré que des sous-populations de cellules gliales au niveau de la ligne médiane guident les axones du corps calleux (CC) d'un hémisphère vers l'autre. Bien qu'il fût observé que le CC en développement contenait aussi des neurones, leur rôle était resté jusqu'alors inconnu.La publication de nos résultats a montré que pendant le développement embryonnaire, le CC contient des glies mais aussi un nombre considérable de neurones glutamatergiques et GABAergiques, nécessaires à la formation du corps calleux (Niquille et al., PLoS Biology, 2009). Dans ce travail, j'ai utilisé des techniques de morphologie et d'imagerie confocale 3D pour définir le cadre neuro-anatomique de notre modèle. De plus, à l'aide de transplantations sur tranches in vitro, de co-explants, d'expression de siRNA dans des cultures de neurones primaires et d'analyse in vivo sur des souris knock-out, nous avons démontré que les neurones du CC guident les axones callosaux en partie grâce à l'action attractive du facteur de guidage Sema3C sur son récepteur Npn- 1.Récemment, nous avons étudié l'origine, les aspects dynamiques de ces processus, ainsi que les mécanismes moléculaires impliqués dans la mise en place de ce faisceau axonal (Niquille et al., soumis). Tout d'abord, nous avons précisé l'origine et l'identité des neurones guidepost GABAergiques du CC par une étude approfondie de traçage génétique in vivo. J'ai identifié, dans le CC, deux populations distinctes de neurones GABAergiques venant des éminences ganglionnaires médiane (MGE) et caudale (CGE). J'ai ensuite étudié plus en détail les interactions dynamiques entre neurones et axones du corps calleux par microscopie confocale en temps réel. Puis nous avons défini le rôle de chaque sous-population neuronale dans le guidage des axones callosaux et de manière intéressante les neurones GABAergic dérivés de la MGE comme ceux de la CGE se sont révélés avoir une action attractive pour les axones callosaux dans des expériences de transplantation. Enfin, nous avons clarifié la base moléculaire de ces mécanismes de guidage par FACS sorting associé à un large criblage génétique de molécules d'intérêt par une technique très sensible de RT-PCR et ensuite ces résultats ont été validés par hybridation in situ.Nous avons également étudié si les neurones guidepost du CC étaient impliqués dans son agénésie (absence de CC), présente dans nombreux syndromes congénitaux chez 1 humain. Le gène homéotique Aristaless (Arx) contrôle la migration des neurones GABAergiques et sa mutation conduit à de nombreuses pathologies humaines, notamment la lissencéphalie liée à IX avec organes génitaux anormaux (XLAG) et agénésie du CC. Fait intéressant, nous avons constaté qu'ARX est exprimé dans toutes les populations GABAergiques guidepost du CC et que les embryons mutant pour Arx présentent une perte drastique de ces neurones accompagnée de défauts de navigation des axones (Niquille et al., en préparation). En outre, nous avons découvert que les souris déficientes pour le facteur de transcription ciliogenic RFX3 souffrent d'une agénésie du CC associé avec des défauts de mise en place de la ligne médiane et une désorganisation secondaire des neurones glutamatergiques guidepost (Benadiba et al., submitted). Ceci suggère fortement l'implication potentielle des deux types de neurones guidepost dans l'agénésie du CC chez l'humain.Ainsi, mon travail de thèse révèle de nouvelles fonctions pour ces neurones transitoires dans le guidage axonal et apporte de nouvelles perspectives sur les rôles respectifs des cellules neuronales et gliales dans ce processus.ABSTRACTRole of transient guidepost neurons in corpus callosum development and guidanceAxonal guidance is a key step that allows neurons to build specific synaptic connections and to specifically integrate in a functional neural network. Intermediate targets or guidepost cells act as critical elements that help to guide axons through long distance in the brain and provide information all along their travel. Subpopulations of midline glial cells have been shown to guide corpus callosum (CC) axons to the contralateral cerebral hemisphere. While neuronal cells are also present in the developing corpus callosum, their role still remains elusive.Our published results unravelled that, during embryonic development, the CC is populated in addition to astroglia by numerous glutamatergic and GABAergic guidepost neurons that are essential for the correct midline crossing of callosal axons (Niquille et al., PLoS Biology, 2009). In this work, I have combined morphological and 3D confocal imaging techniques to define the neuro- anatomical frame of our system. Moreover, with the use of in vitro transplantations in slices, co- explant experiments, siRNA manipulations on primary neuronal culture and in vivo analysis of knock-out mice we have been able to demonstrate that CC neurons direct callosal axon outgrowth, in part through the attractive action of Sema3C on its Npn-1 receptor.Recently, we have studied the origin, the dynamic aspects of these processes as well as the molecular mechanisms involved in the establishment of this axonal tract (Niquille et al., submitted). First, we have clarified the origin and the identity of the CC GABAergic guidepost neurons using extensive in vivo cell fate-mapping experiments. We identified two distinct GABAergic neuronal subpopulations, originating from the medial (MGE) and caudal (CGE) ganglionic eminences. I then studied in more details the dynamic interactions between CC neurons and callosal axons by confocal time-lapse video microscopy and I have also further characterized the role of each guidepost neuronal subpopulation in callosal guidance. Interestingly, MGE- and CGE-derived GABAergic neurons are both attractive for callosal axons in transplantation experiments. Finally, we have dissected the molecular basis of these guidance mechanisms by using FACS sorting combined with an extensive genetic screen for molecules of interest by a sensitive RT-PCR technique, as well as, in situ hybridization.I have also investigated whether CC guidepost neurons are involved in agenesis of the CC which occurs in numerous human congenital syndromes. Aristaless-related homeobox gene (Arx) regulates GABAergic neuron migration and its mutation leads to numerous human pathologies including X-linked lissencephaly with abnormal genitalia (XLAG) and severe CC agenesis. Interestingly, I found that ARX is expressed in all the guidepost GABAergic neuronal populations of the CC and that Arx-/- embryos exhibit a drastic loss of CC GABAergic interneurons accompanied by callosal axon navigation defects (Niquille et al, in preparation). In addition, we discovered that mice deficient for the ciliogenic transcription factor RFX3 suffer from CC agenesis associated with early midline patterning defects and a secondary disorganisation of guidepost glutamatergic neurons (Benadiba et al., submitted). This strongly points out the potential implication of both types of guidepost neurons in human CC agenesis.Taken together, my thesis work reveals novel functions for transient neurons in axonal guidance and brings new perspectives on the respective roles of neuronal and glial cells in these processes.

Photodynamic therapy for enhanced drug delivery to tumor

Photodynamic therapy (PDT) has been used as an adjunct to cytoreductive surgery in patients with malignant pleura mesothelioma (MPM). However, it was associated with substantial side effects and found to be only of modest clinical benefit. In contrast, Visudyne®-mediated low-dose PDT has been shown to selectively increase the concentration of macromolecular cytostatic compounds in various tumors grown subpleurally on rodent lungs. Consequently, it was thought that PDT-assisted enhanced tumor penetration for cytostatic agents might be better suited to achieve additional tumor control after cytoreductive surgery for mesothelioma. This effect seems to be mainly related to PDT-mediated modulations of tumor vessels which improve the distribution of circulating, systemically administered chemotherapeutic macromolecular agents. However, the mechanisms involved and the optimization of this effect for therapeutic implications remain to be solved. By using the dorsal skin fold chamber method we demonstrated that both angiogenesis and microcirculation of human mesothelioma xenografts can be continuously assessed in vivo by intravital microscopy. We described a new, simple, reproducible and reliable scoring system for the assessment of tumor angiogenesis and microcirculation in this model, thereby allowing the quantitative description of the neo-vascular network development while avoiding a complicated technical setup. This method can serve as a useful tool for the assessment of novel vessel-targeted therapies against MPM. We then applied this newly established model so as to elucidate the underlying mechanisms of PDT-induced extravasation of macromolecular compounds across the endothelial barrier in tumors and surrounding normal tissue. We found that low-dose PDT selectively enhanced the uptake of macromolecular compounds in human mesothelioma xenografts compared to surrounding normal tissue. Interestingly, this increase of effective permeability of tumor vasculature was not related to the inflammatory stimuli generated by PDT such as the mobilization of leucocytes and their adhesion and penetration of the injured vessel wall. We then used the model for optimizing the drug-light conditions of low- dose PDT in order to obtain maximal leakage of the macromolecular compounds in the tumor with minimal uptake in normal surrounding tissue and we were able to identify such a therapeutic window. With these optimized PDT treatment conditions, we assessed the therapeutic effect of this new treatment concept in vivo by measuring tumor growth rates on subcutaneously grown mesothelioma xenografts in nude mice after low-dose PDT of the tumors following systemically administered liposomal (macromolecular) cisplatin, a cytostatic compound commonly used in clinical practice. We were able to demonstrate that low-dose PDT with optimized drug-light conditions combined with systemic chemotherapy indeed resulted in a reduction in tumor growth compared to chemotherapy or PDT alone. In conclusion, our work demonstrates that low-dose PDT may selectively enhance the uptake of macromolecular cytostatic drugs in superficially growing tumors such as mesotheliomas and opens new perspectives for the treatment of these diseases. - Les effets cytotoxiques de la thérapie photodynamique (PDT) sur le mésothéliome pleural malin (MPM) n'ont pas apporté de bénéfice clinique significatif. Toutefois, une application innovante non cytotoxique de la PDT serait la bienvenue en supplément des chimiothérapies pour améliorer le contrôle local de la tumeur. Le prétraitement des néovaisseaux tumoraux par une PDT à bas régime, qui améliorerait la distribution d'une chimiothérapie administrée par voie systémique de façon concomitante, a attiré une attention particulière pour de futures applications cliniques. Toutefois, les mécanismes impliqués dans cet événement et les implications thérapeutiques de ces changements physiopathologiques restent non résolus. Dans cette thèse, nous avons observé en premier que l'angiogenèse et la microcirculation dans les xénogreffes de mésothéliomes humains peuvent être observées et analysées in vivo par microscopie intravitale. Le nouveau système de score appliqué pour l'évaluation de l'angiogenèse et de la microcirculation tumorale dans cette étude est une méthode simple, reproductible et fiable servant à décrire de manière quantitative le réseau néo-vasculaire en développement, tout en évitant d'utiliser une installation technique compliquée. Ce modèle sert de nouvel outil pour l'évaluation des thérapies anti-vasculaires dirigées contre le MPM. Le modèle animal nouvellement établi a alors été utilisé pour élucider les mécanismes sous-jacents de Γ extravasation d'agents macromoléculaires induite par PDT dans les vaisseaux tumoraux et normaux. Nous avons trouvé que la PDT à fable dose améliore la distribution ciblée de drogues macromoléculaires dans des greffes de mésothéliome humain, de manière sélective pour la tumeur. La perméabilité vasculaire tumorale n'est pas influencée par les stimuli inflammatoires générés par la PDT, ce qui joue un rôle important dans la sélectivité de notre photodynamic drug delivery. Ensuite, nous avons recherché la fenêtre thérapeutique optimale de la PDT pour obtenir une accumulation sélective du colorant macromoléculaire dans le tissu tumoral ainsi qu'une efficacité de la PDT combinée avec une chimiothérapie macromoléculaire sur la croissance tumorale. Nous avons démontré que la PDT à faible dose combinée avec une administration systémique de cisplatine liposomale mène à un ralentissement de la croissance tumorale dans notre modèle de mésothéliome malin humain. En conclusion, l'utilisation de la PDT comme prétraitement pour améliorer sélectivement la distribution d'agents thérapeutiques dans des tumeurs poussant superficiellement est prometteuse. Cette observation fourni une preuve du concept remarquable et garanti la suite des investigations, éventuellement ayant pour but de développer de nouveaux concepts de thérapie pour les patients atteints de mésothéliome. Une PDT intra cavitaire à faible dose après pleuro- pneumonectomie pourrait améliorer la pénétration des agents cytostatiques administrés de façon concomitante par voie systémique dans les îlots tumoraux résiduels, et ainsi améliorer le contrôle local.

Low latitude Paleocene to early Eocene radiolarian systematics, biochronology and paleoenvironmental analysis

Highly diverse radiolarian faunas of latest Maastrichtian to early Eocene age have been recovered from the low latitude realm in order to contribute to the clarification of radiolarian taxonomy, construct a zonation based on a discrete sequence of co-existence intervals of species ranging from the late Paleocene to early Eocene and to describe a rich low latitude latest Cretaceous to late Paleocene fauna. 225 samples of late Paleocene to early Eocene age have been collected from ODP Leg 171 B-Hole 1051 A (Blake Nose), DSDP Leg 43-Site 384 (Northwest Atlantic) and DSDP Leg 10-Sites 86, 94, 95, 96. Sequences consist of mainly pelagic oozes and chalks, with some clay and ash layers. A new imaging technique is devised to perform (in particular on topotypic material) both transmitted light microscopy and SEM imaging on individual radiolarian specimens. SEM precedes transmitted light imaging. Radiolarians are adhered to a cover slip (using nail varnish) which is secured to a stub using conductive levers. Specimens are then photographed in low vacuum (40-50Pa; 0.5mbar), which enables charge neutralization by ionized molecules of the chamber atmosphere. Thus gold coating is avoided and subsequently this allows transmitted light imaging to follow. The conductive levers are unscrewed and the cover slip is simply overturned and mounted with Canada balsam. In an attempt towards a post-Haeckelian classification, the initial spicule (Entactinaria), micro- or macrosphere (Spumellaria) and initial spicule and cephalis (Nassellaria) have been studied by slicing Entactinaria and Spumellaria, and by tilting Nassellaria in the SEM chamber. A new genus of the family Coccodiscidae is erected and Spongatractus HAECKEL is re-located to the subfamily Axopruinae. The biochronology has been carried out using the Unitary Association Method (Guex 1977, 1991). A database recording the occurrences of 112 species has been used to establish a succession of 22 Unitary Associations. Each association is correlated to chronostratigraphy via calcareous microfossils that were previously studied by other authors. The 22 UAs have been united into seven Unitary Associations Zones (UAZones) (JP10- JE4). The established zones permit to distinguish supplementary subdivisions within the existing zonation. The low-latitude Paleocene radiolarian zonation established by Sanfilippo and Nigrini (1998a) is incomplete due to the lack of radiolarian-bearing early Paleocene sediments. In order to contribute to the study of sparsely known low latitude early Paleocene faunas, 80 samples were taken from the highly siliceous Guayaquil Formation (Ecuador). The sequence consists of black cherts, shales, siliceous limestones and volcanic ash layers. The carbonate content increases up section. Age control is supplied by sporadic occurrences of silicified planktonic foraminifera casts. One Cretaceous zone and seven Paleocene zones have been identified. The existing zonation for the South Pacific can be applied to the early-early late Paleocene sequence, although certain marker species have significantly shorter ranges (notably Buryella foremanae and B. granulata). Despite missing marker species in the late Paleocene, faunal distribution correlates reasonably to the Low-Latitude zonation. An assemblage highly abundant in Lithomelissa, Lophophaena and Cycladophora in the upper RP6 zone (correlated by the presence of Pterocodon poculum, Circodiscus circularis, Pterocodon? sp. aff. P. tenellus and Stylotrochus nitidus) shows a close affinity to contemporaneous faunas reported from Site 1121, Campbell Plateau. Coupled with a high diatom abundance (notably Aulacodiscus spp. and Arachnoidiscus spp.), these faunas are interpreted as reflecting a period of enhanced biosiliceous productivity during the late Paleocene. The youngest sample is void of radiolarians, diatoms and sponge spicules yet contains many pyritized infaunal benthic foraminifera which are akin to the midway-type fauna. The presence of this fauna suggests deposition in a neritic environment. This is in contrast to the inferred bathyal slope depositional environment of the older Paleocene sediments and suggests a shoaling of the depositional environment which may be related to a coeval major accretionary event. RESUME DE LA THESE Des faunes de radiolaires de basses latitudes très diversifiées d'âge Maastrichtien terminal à Eocène inférieur, ont été étudiées afin de contribuer à la clarification de leur taxonomie, de construire une biozonation basée sur une séquence discrète d'intervalles de coexistence des espèces d'age Paléocène supérieur à Eocène inférieur et de décrire une riche faune de basse latitude allant du Crétacé terminal au Paléocène supérieur. L'étude de cette faune contribue particulièrement à la connaissance des insaisissables radiolaires de basses latitudes du Paléocène inférieur. 225 échantillons d'âge Paléocène supérieur à Eocène inférieur provenant des ODP Leg 171B-Site 1051A (Blake Nose), Leg DSDP 43-Site 384 (Atlantique Nord -Ouest) et des DSDP Leg 10 -Sites 86, 94, 95, 96, ont été étudiés. Ces séquences sont constituées principalement de « ooze » et de « chalks »pélagiques ainsi que de quelques niveaux de cendres et d'argiles. Une nouvelle technique d'imagerie a été conçue afin de pouvoir prendre conjointement des images en lumière transmise et au Microscope Electronique à Balayage (MEB) de spécimens individuels. Ceci à été particulièrement appliqué à l'étude des topotypes. L'imagerie MEB précède l'imagerie en lumière transmise. Les radiolaires sont collés sur une lame pour micropaléontologie (au moyen de vernis à ongles) qui est ensuite fixée à un porte-objet à l'aide de bras métalliques conducteurs. Les spécimens sont ensuite photographiés en vide partiel (40-50Pa; 0.5mbar), ce qui permet la neutralisation des charges électrostatiques dues à la présence de molécules ionisées dans l'atmosphère de la chambre d'observation. Ainsi la métallisation de l'échantillon avec de l'or n'est plus nécessaire et ceci permet l'observation ultérieure en lumière transmise. Les bras conducteurs sont ensuite dévissés et la lame est simplement retournée et immergée dans du baume du Canada. Dans une approche de classification post Haeckelienne, le spicule initial (Entactinaires), la micro- ou macro -sphère (Spumellaires) et le spicule initial et cephalis (Nassellaires) ont été étudiés. Ceci a nécessité le sectionnement d'Entactinaires et de Spumellaires, et de pivoter les Nassellaires dans la chambre d'observation du MEB. Un nouveau genre de la Famille des Coccodiscidae a été érigé et Spongatractus HAECKEL à été réassigné à la sous-famille des Axopruninae. L'analyse biostratigraphique à été effectuée à l'aide de la méthode des Associations Unitaires {Guex 1977, 1991). Une base de données enregistrant les présences de 112 espèces à été utilisée poux établir une succession de 22 Associations Unitaires. Chaque association est corrélée à la chronostratigraphie au moyen de microfossiles calcaires précédemment étudiés par d'autres auteurs. Les 22 UAs ont été combinées en sept Zones d'Associations Unitaires (UAZones) (JP10- JE4). Ces Zones permettent d'insérer des subdivisions supplémentaires dans la zonation actuelle. La zonation de basses latitudes du Paléocène établie par Sanfilippo et Nigrini (1998a) est incomplète due au manque de sédiments du Paléocène inférieur contenant des radiolaires. Afin de contribuer à l'étude des faunes peu connues des basses latitudes du Paléocène inférieur, 80 échantillons ont été prélevés d'une section siliceuse de la Formation de Guayaquil (Equateur). La séquence est composée de cherts noirs, de shales, de calcaires siliceux et de couches de cendres volcaniques. La fraction carbonatée augmente vers le haut de la section. Des contraintes chronologiques sont fournies par la présence sporadique de moules de foraminifères planctoniques. Une zone d'intervalles du Crétacé et sept du Paléocène ont été mises en évidence. Bien que certaines espèces marqueur ont des distributions remarquablement plus courtes (notamment Buryella foremanae et B. granulata), la zonation existante pour le Pacifique Sud est applicable à la séquence d'age Paléocène inférieure à Paléocène supérieur basal étudiée. Malgré l'absence d'espèces marqueur du Paléocène supérieur, la succession faunistique se corrèle raisonnablement avec la zonation pour les basses latitudes. Un assemblage contenant d'abondants représentant du genre Lithomelissa, Lophophaena et Cycladophora dans la zone RP6 (correlée par la présence de Pterocodon poculum, Circodiscus circularis, Pterocodon? sp. aff. P. tenellus et Stylotrochus nitidus) montre une grande similitude avec certaines faunes issues des hauts latitudes et d'age semblable décrites par Hollis (2002, Site 1121, Campbell Plateau). Ceci, en plus d'une abondance importante en diatomés (notamment Aulacodiscus spp. et Arachnoidiscus spp.) nous mènent à interpréter cette faune comme témoin d'un épisode de productivité biosiliceuse accrue dans le Paléocène supérieur. L'échantillon le plus jeune, dépourvu de radiolaires, de diatomés et de spicules d'éponge contient de nombreux foraminifères benthiques infaunaux pyritisés. Les espèces identifiées sont caractéristiques d'une faune de type midway. La présence de ces foraminifères suggère un environnement de type néritique. Ceci est en contraste avec l'environnement de pente bathyale caractérisent les sédiments sous-jacent. Cette séquence de diminution de la tranche d'eau peut être associée à un événement d'accrétion majeure. RESUME DE LA THESE (POUR LE GRAND PUBLIC) Les radiolaires constituent le groupe de plancton marin le plus divers et le plus largement répandu de l'enregistrement fossile. Un taux d'évolution rapide et une variation géographique considérable des populations font des radiolaires un outil de recherche sans égal pour la biostratigraphie et la paléocéanographie. Néanmoins, avant de pouvoir les utiliser comme outils de travail, il est essentiel d'établir une solide base taxonomique. L'étude des Radiolaires peut impliquer plusieurs techniques d'extraction, d'observation et d'imagerie qui sont dépendantes du degré d'altération diagénétique des spécimens. Le squelette initial, qu'il s'agisse d'un spicule initial (Entactinaria), d'une micro- ou macro -sphère (Spumellaria) ou d'un spicule initial et d'un cephalis (Nassellaria), est l'élément le plus constant au cours de l'évolution et devrait représenter le fondement de la systématique. Des échantillons provenant de carottes de basses latitudes du Deep Sea Drilling Project et de l' Ocean Drilling ont été étudiés. De nouvelles techniques d'imagerie et de sectionnement ont été développées sur des topotypes de radiolaires préservés en opale, dans le but d'étudier les caractéristiques de leur squelette initial qui n'étaient pas visibles dans leur illustration originale. Ceci aide entre autre à comparer des spécimens recristallisés en quartz, provenant de terrains accrétés, avec les holotypes en opale de la littérature. La distribution des espèces étudiés a fourni des données biostratigraphiques qui ont été compilées à l'aide de la méthode des Associations Unitaires (Guez 1977, 1991). Il s'agit d'un modèle mathématique déterministe conçu pour exploiter la totalité de l'assemblage plutôt que de se confiner à l'utilisation de taxons marqueurs individuels. Une séquence de 22 Associations Unitaires a été établie pour la période allant du Paléocène supérieur à l'Éocène inférieur. Chaque Association Unitaire a été corrélée à l'échelle de temps absolue à l'aide de microfossiles calcaires. Les 22 UAs ont été combinées en sept Zones d'Associations Unitaires (JP10- JE4). Ces Zones permettent d'insérer des subdivisions supplémentaires dans la zonation actuelle. Les radiolaires du Paléocène inférieur à moyen des basses latitudes sont rares. Les meilleures sections connues se trouvent dans les hautes latitudes (Nouvelle Zélande). Quelques assemblages épars ont été mentionnés par le passé en Californie, en Équateur et en Russie. Une séquence siliceuse de 190 mètres dans la Formation de Guayaquil (Équateur), s'étendant du Maastrichtien supérieur au Paléocène supérieur, a fourni des faunes relativement bien préservées. L'étude de ces faunes a permis de mettre en évidence la première séquence complète de radiolaires de basses latitudes dans le Paléocène inférieure. Huit zones allant du Crétacé terminal au Paléocène supérieur ont pu être appliqués et la présence de foraminifères planctoniques a fournie plusieurs points d'attache chronologiques. Dans le Paléocène supérieur, un riche assemblage contenant d'abondants diatomés et radiolaires ayant des similitudes faunistiques marquantes avec des assemblages de hautes latitudes de Nouvelle Zélande, témoigne d'un épisode de productivité biosiliceuse accrue pendant cette période. Étant donné que la pointe du continent sud-américain et l'Antarctique étaient plus proches au cours du Paléocène, ce phénomène peut être expliqué par le transport, le long de la côte ouest de l'Amérique du Sud, d'eaux riches en nutriments en provenance de l'Océan Antarctique. Suite à cet épisode, l'enregistrement en radiolaires est interrompu. Ceci peut être associé à des événements tectoniques régionaux qui ont eu pour effet de diminuer la tranche d'eau relative, rendant l'environnement plus favorable aux foraminifères benthiques qui sont abondamment présents dans l'échantillon le plus jeune de la séquence.

Spatial and temporal regulation of " cdc16p " in the fission yeast " Schizosaccharomyces pombe "

Abstract: The fission yeast Schizosaccharomyces pombe has proven to be an excellent model system for the study of eukaryotic cell cycle control. S. pombe cells are rod-shaped and grow mainly by elongation at their tips. They divide by the means of a centrallyplaced division septum which provides two daughter cells of equal size. S. pombe cytokinesis begins at mitotic entry, when the division site is defined by formation of the contractile acto-myosin ring (CAR). Formation of the division septum is triggered at the end of mitosis by the spindle pole body (SPB) associated septation initiation network (SIN) proteins. SIN signalling requires activation of the GTPase spg1p, whose nucleotide status is regulated by the bipartite GAP byr4pcdc16p. Removal of cdc16p from the SPB during early mitosis is thought to allow priming of the SIN by association of cdc7p with both SPBs. During anaphase cdc7p is retained on the new SPB, which also recruits the kinase sid1 p and cdc14p, while the old SP8 reassembles the byr4-cdc16p GAP and is presumed not to signal; SPB asymmetry persists throughout anaphase. The trigger for inactivation of SIN signalling at the new SPB is unknown. This study has concentrated upon cdc16p. We have undertaken the analysis of the localisation of cdc16p using time-lapse microscopy. We have observed that the localisation of cdc16p is regulated at different transitions. We have shown that cdc16p is removed from the SPB prior to the onset of spindle formation and that it reappears asymmetrically at the beginning of anaphase B. We have also demonstrated that the resetting of the SIN at the new SPB is linked to completion of CAR contraction and septum formation. We propose the existence of a mechanism that monitors cytokinesis and that couples the activity of the SI N with the presence of the CAR. During the biochemical characterization of cdc16p, We have found that it is an unstable protein and that it is subjected to polyubiquitination by the SCF and proteasomal degradation. Together, these observations help to shed new light upon the mechanisms by which cytokinesis is regulated in S. pombe. Résumé: La levure Schizosaccharomyces pombe est un excellent organisme modèle pour l'étude du cycle cellulaire eucaryote. Les cellules S. pombe ont la forme de bâtonnets et croissent par l'allongement de leurs extrémités. Elles se divisent en formant, en leur milieu une paroi cellulaire, appelé septum, permettant ainsi l'obtention de deux cellules filles de même taille. Chez S. pombe, la cytokinèse commence en début de mitose lorsque le site de division est déterminé par la formation d'un anneau d'acto-myosine. Le septum, lui, est formé uniquement en fin de mitose par la contraction de l'anneau d'actomyosine. Cette contraction est sous le contrôle d'un réseau de signalisation cellulaire appelé le «réseau d'initiation de synthèse du septum » ou « septation initiation network » (SIN), qui se situe sur les pôles du fuseau mitotique. L'activation du SIN dépend d'une GTPase appelé spg1p dont le statut nucléotidique dépend des protéines cdclóp et byr4p qui forment un complexe qui favorise l'hydrolyse du GTP en GDP. En début de mitose, cdc16p ne se situe plus sur les poles du fuseau mitotique. La GTPase spg1p se retrouve donc principalement sous sa forme couplée au GTP, ce quí va permettre son interaction avec la kinase cdc7p. Cette protéine ainsi que deux autres kinases sid2p (avec mob1p) et sid1p (avec cdc14p) permettent la transmission du signal d'initiation de la contraction de l'anneau d'acto-myosine en fin d'anaphase. Pendant l'anaphase, cdc7p, sid1 p et cdc14p localisent sur un des deux pôles du fuseau mitotique. Il en est de même pour cdc1p et by14p et le pôle contenant cdc16p et byr4p est toujours différent de celui ou les régulateurs positifs du SIN se situent. En fin de cytokinèse, cdc16 et byr4p se retrouvent à nouveau sur chaque pôle des deux cellules filles. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur l'analyse de la localisation de cdc16p pendant la mitose en utilisant une technique de microscopie en temps réel. Nous avons été en mesure de déterminer que le départ de cdc16p du pole s'effectue juste avant la formation du fuseau mitotique. Nous avons aussi découvert que la localisation asymétrique des composants du SIN dépend fortement de l'entrée en anaphase B. Finalement, Nous avons montré que distribution asymétrique des composants du SIN sur les pôles du fuseau mitotique dépendait aussi fortement de !a présence de l'anneau d'acto-myosine. Ceci nous permet donc de proposer l'existence d'un mécanisme cellulaire qui permet de s'assurer que la cytokinèse est achevée avant de diminuer la signalisation du SIN. Par ailleurs, des études biochimiques nous ont permis de montrer que cdc16p est dégradé par le proteosome. Ces travaux ont permis la découverte de nouveaux modes de régulation du SIN.

Characterization of the neuronal microtubule regulator SCG10 in transfected cells and " in vivo "

SUMMARY The ability of neuronal processes to find their way along complex paths and to establish appropriate connections depends on continual rearrangements of the cytoskeletal components. The regulation of microtubules plays an important role for morphological changes underlying nevrite outgrowth, axonal elongation, and growth cone steering. SCG10 (superior cervical ganglion clone 10) is a neuronal growthassociated protein developmentally regulated and highly enriched in the neuronal growth cones. SCG10 presents a microtubule destabilizing activity that could participate to the regulation of microtubule dynamics and thus explain microtubule behaviors in the growth cone during axonal elongation and turning. It is here suggested that a tight control of the opposite effects on microtubules of SCG10 and the stabilizing microtubule-associated protein MAP1B allows a fine tuning of cytoskeletal rearrangement and may provide the required microtubule dynamic instability to promote axonal growth. Moreover, antibodyblockade of SCG10 function, that leads to growth cone pauses similar as those triggered by the guidance molecule EphB, and the modulation of SCG10 activity by the Rho GTPase Rnd1 suggest a potential role for SCG10 in the signal transduction pathways of extracellular guidance cues. The identification of the active zone protein Bassoon as a potential interaction partner for the SCG10-related protein NPC2, using atomic force microscopy as well as COS-7 and neuronal cell cultures, also gives new insights for a role of this protein family into the processes of synapse genesis or plasticity. Finally, SCG10 mutant mice generated by gene targeting and expressing a soluble form of the protein have been characterized during early postnatal development and in the adulthood. Due to the deletion of its membrane binding domain, SCG10 specific subcellular targeting to growth cones is compromised and results in impairments of motor and coordination development. Further histological analysis in the sciatic nerve reveal that these symptoms are associated with neurodegenerative signs. RESUME Une navigation correcte des prolongements cellulaires neuronaux leur permettant de former des connections appropriées repose sur de continuels réarrangements des constituants de leur cytosquelette. La régulation des microtubules joue notamment un rôle important dans les changements morphologiques qui accompagnent la croissance axonale et les réorientations du cône de croissance. SCG10 (superior cervical ganglion clone 10) est une protéine étroitement associée à la croissance neuronale, hautement régulée durant le développement et abondante au niveau du cône de croissance. SCG10 présente une activité déstabilisatrice sur les microtubules qui pourrait permettre une régulation des paramètres dynamiques propres aux microtubules et ainsi expliquer leur comportement durant la navigation du cône de croissance. Il est ici proposé qu'un contrôle précis des effets opposés de SCG10 et d'une autre protéine stabilisante associée aux microtubules (MAP1 B) permette un réglage fin des réarrangements du cytosquelette et puisse ainsi produire l'instabilité dynamique nécessaire à la croissance anale. Par ailleurs, le blocage de la fonction de SCG10 par un anticorps spécifique, conduisant à des pauses du cônes de croissance similaires à celles provoquées par la molécule de guidage EphB, ainsi que la modulation de l'activité de SCG10 par la Rho GTPase Rnd1 suggèrent une potentielle implication de SCG10 dans les voies de transduction des signaux provenant de molécules de guidage extracellulaires. L'identification d'une interaction de la protéine synaptique Bassoon avec la protéine NPC2 apparentée à SCG10, au moyen de la microscopie à force atomique et dans des cultures de cellules neuronales et COS-7, ouvre des perspectives concernant ces protéines dans la formation et la plasticité synaptiques. Finalement, des souris mutantes pour SCG10 produites par ciblage de gène et exprimant une forme soluble de la protéine ont été caractérisées durant la phase précoce du développement et à l'âge adulte. La délétion du domaine permettant l'ancrage de SCG10 aux membranes compromet sa sub-localisation au niveau du cône de croissance et résulte en l'apparition de troubles moteurs et de la coordination. Des analyses histologiques complémentaires au niveau du nerf sciatique montrent que ces symptômes sont associés avec des signes neurodégénératifs.

Characterization of polyphosphate synthesis by isolated yeast vacuoles

Polyphosphate (iPOP) is a linear polymer of orthophosphate units linked together by high energy phosphoanhydride bonds. It is found in all organisms, localized in organelles called acidocalcisomes and ranges from a few to few hundred monomers in length. iPOP has been found to play a vast array of roles in all organisms, including phosphate and energy metabolism, regulation of enzymes, virulence, pathogenicity, bone remodelling and blood clotting, among many others. Recently it was found that iPOP levels were increased in myeloma cells. The growing interest in iPOP in human cell lines makes it an interesting molecule to study. However, not much is known about its metabolism in eukaryotes. Acidocalcisomes are electron dense, acidic organelles that belong to the group of Lysosome Related Organelles (LROs). The conservation of acidocalcisomes among all kingdoms of life is suggestive of their important roles for the organisms. However, they are difficult to analyse because of limited biochemical tools for investigation. Yeast vacuoles present remarkable similarities to acidocalcisomes in terms of their physiological and structural features, including synthesis and storage of iPOP, which make them an ideal candidate to study biological processes which are shared between vacuoles and acidocalcisomes. The availability of tools for genetic manipulation and isolation of vacuoles makes yeast a candidate of choice for the characterization of iPOP synthesis in eukaryotes. Our group has identified the Vacuolar Transporter Chaperone (VTC) complex as iPOP polymerase and identified the catalytic subunit (Vtc4). The goal of my study was to characterize the process of iPOP synthesis by isolated vacuoles and to reconstitute iPOP synthesis in liposomes. The first step was to develop a method for monitoring iPOP by isolated vacuoles over time and comparing it with previously known methods. Next, a detailed characterization was performed to determine the modulators of the process, both for intact as well as solubilized vacuoles. Finally, attempts were made to purify the VTC complex and reconstitute it in liposomes. A parallel line of study was the translocation and storage of synthesized iPOP in the lumen of the vacuoles. As a result of this study, it is possible to determine distinct pools of iPOP- inside and outside the vacuolar lumen. Additionally, I establish that the vacuolar lysate withstands harsh steps during reconstitution on liposomes and retains iPOP synthesizing activity. The next steps will be purification of the intact VTC complex and its structure determination by cryo-electron microscopy. - Les organismes vivants sont composés d'une ou plusieurs cellules responsables des processus biologiques élémentaires tels que la digestion, la respiration, la synthèse et la reproduction. Leur environnement interne est en équilibre et ils réalisent un très grand nombre de réactions chimiques et biochimiques pour maintenir cet équilibre. A différents compartiments cellulaires, ou organelles, sont attribuées des tâches spécifiques pour maintenir les cellules en vie. L'étude de ces fonctions permet une meilleure compréhension de la vie et des organismes vivants. De nombreux processus sont bien connus et caractérisés mais d'autres nécessitent encore des investigations détaillées. L'un de ces processus est le métabolisme des polyphosphates. Ces molécules sont des polymères linéaires de phosphate inorganique dont la taille peut varier de quelques dizaines à quelques centaines d'unités élémentaires. Ils sont présents dans tous les organismes, des bactéries à l'homme. Ils sont localisés principalement dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes, des organelles acides observés en microscopie électronique comme des structures denses aux électrons. Les polyphosphates jouent un rôle important dans le stockage et le métabolisme de l'énergie, la réponse au stress, la virulence, la pathogénicité et la résistance aux drogues. Chez l'homme, ils sont impliqués dans la coagulation du sang et le remodelage osseux. De nouvelles fonctions biologiques des polyphosphates sont encore découvertes, ce qui accroît l'intérêt des chercheurs pour ces molécules. Bien que des progrès considérables ont été réalisés afin de comprendre la fonction des polyphosphates chez les bactéries, ce qui concerne la synthèse, le stockage et la dégradation des polyphosphates chez les eucaryotes est mal connu. Les vacuoles de la levure Saccharomyces cerevisiae sont similaires aux acidocalcisomes des organismes supérieurs en termes de structure et de fonction. Les acidocalcisomes sont difficiles à étudier car il n'existe que peu d'outils génétiques et biochimiques qui permettent leur caractérisation. En revanche, les vacuoles peuvent être aisément isolées des cellules vivantes et manipulées génétiquement. Les vacuoles comme les acidocalcisomes synthétisent et stockent les polyphosphates. Ainsi, les découvertes faites grâce aux vacuoles de levures peuvent être extrapolées aux acidocalcisomes des organismes supérieurs. Le but de mon projet était de caractériser la synthèse des polyphosphates par des vacuoles isolées. Au cours de mon travail de thèse, j'ai mis au point une méthode de mesure de la synthèse des polyphosphates par des organelles purifés. Ensuite, j'ai identifié des composés qui modulent la réaction enzymatique lorsque celle-ci a lieu dans la vacuole ou après solubilisation de l'organelle. J'ai ainsi pu mettre en évidence deux groupes distincts de polyphosphates dans le système : ceux au-dehors de la vacuole et ceux en-dedans de l'organelle. Cette observation suggère donc très fortement que les vacuoles non seulement synthétisent les polyphosphates mais aussi transfère les molécules synthétisées de l'extérieur vers l'intérieur de l'organelle. Il est très vraisemblable que les vacuoles régulent le renouvellement des polyphosphates qu'elles conservent, en réponse à des signaux cellulaires. Des essais de purification de l'enzyme synthétisant les polyphosphates ainsi que sa reconstitution dans des liposomes ont également été entrepris. Ainsi, mon travail présente de nouveaux aspects de la synthèse des polyphosphates chez les eucaryotes et les résultats devraient encourager l'élucidation de mécanismes similaires chez les organismes supérieurs. - Les polyphosphates (iPOP) sont des polymères linéaires de phosphates inorganiques liés par des liaisons phosphoanhydres de haute énergie. Ces molécules sont présentes dans tous les organismes et localisées dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes. Elles varient en taille de quelques dizaines à quelques centaines d'unités phosphate. Des fonctions nombreuses et variées ont été attribuées aux iPOP dont un rôle dans les métabolismes de l'énergie et du phosphate, dans la régulation d'activités enzymatiques, la virulence, la pathogénicité, le remodelage osseux et la coagulation sanguine. Il a récemment été montré que les cellules de myélome contiennent une grande quantité de iPOP. Il y donc un intérêt croissant pour les iPOP dans les lignées cellulaires humaines. Cependant, très peu d'informations sur le métabolisme des iPOP chez les eucaryotes sont disponibles. Les acidocalcisomes sont des compartiments acides et denses aux électrons. Ils font partie du groupe des organelles similaires aux lysosomes (LROs pour Lysosome Related Organelles). Le fait que les acidocalcisomes soient conservés dans tous les règnes du vivant montrent l'importance de ces compartiments pour les organismes. Cependant, l'analyse de ces organelles est rendue difficile par l'existence d'un nombre limité d'outils biochimiques permettant leur caractérisation. Les vacuoles de levures possèdent des aspects structuraux et physiologiques très similaires à ceux des acidocalcisomes. Par exemple, ils synthétisent et gardent en réserve les iPOP. Ceci fait des vacuoles de levure un modèle idéal pour l'étude de processus biologiques conservés chez les vacuoles et les acidocalcisomes. De plus, la levure est un organisme de choix pour l'étude de la synthèse des iPOP compte-tenu de l'existence de nombreux outils génétiques et la possibilité d'isoler des vacuoles fonctionnelles. Notre groupe a identifié le complexe VTC (Vacuole transporter Chaperone) comme étant responsable de la synthèse des iPOP et la sous-unité Vtc4p comme celle possédant l'activité catalytique. L'objectif de cette étude était de caractériser le processus de synthèse des iPOP en utilisant des vacuoles isolées et de reconstituer la synthèse des iPOP dans des liposomes. La première étape a consisté en la mise au point d'un dosage permettant la mesure de la quantité de iPOP synthétisés par les organelles isolés en fonction du temps. Cette nouvelle méthode a été comparée aux méthodes décrites précédemment dans la littérature. Ensuite, la caractérisation détaillée du processus a permis d'identifier des composés modulateurs de la réaction à la fois pour des vacuoles intactes et des vacuoles solubilisées. Enfin, des essais de purification du complexe VTC et sa reconstitution dans des liposomes ont été entrepris. De façon parallèle, une étude sur la translocation et le stockage des iPOP dans le lumen des vacuoles a été menée. Il a ainsi été possible de mettre en évidence différents groupes de iPOP : les iPOP localisés à l'intérieur et ceux localisés à l'extérieur des vacuoles isolées. De plus, nous avons observé que le lysat vacuolaire n'est pas détérioré par les étapes de reconstitution dans les liposomes et conserve l'activité de synthèse des iPOP. Les prochaines étapes consisteront en la purification du complexe intact et de la détermination de sa structure par cryo-microscopie électronique.

Probabilistic evidential assessment of gunshot residue particle evidence (Part I): likelihood ratio calculation and case pre-assessment using Bayesian networks

Well developed experimental procedures currently exist for retrieving and analyzing particle evidence from hands of individuals suspected of being associated with the discharge of a firearm. Although analytical approaches (e.g. automated Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray (SEM-EDS) microanalysis) allow the determination of the presence of elements typically found in gunshot residue (GSR) particles, such analyses provide no information about a given particle's actual source. Possible origins for which scientists may need to account for are a primary exposure to the discharge of a firearm or a secondary transfer due to a contaminated environment. In order to approach such sources of uncertainty in the context of evidential assessment, this paper studies the construction and practical implementation of graphical probability models (i.e. Bayesian networks). These can assist forensic scientists in making the issue tractable within a probabilistic perspective. The proposed models focus on likelihood ratio calculations at various levels of detail as well as case pre-assessment.

Characterization of the molecular mechanisms of insulin exocytosis and of their adaptation to physiopathological conditions

Résumé large public Le glucose est une source d'énergie essentielle pour notre organisme, indispensable pour le bon fonctionnement des cellules de notre corps. Les cellules β du pancréas sont chargées de réguler l'utilisation du glucose et de maintenir la glycémie (taux de glucose dans le sang) à un niveau constant. Lorsque la glycémie augmente, ces dernières sécrètent l'insuline, une hormone favorisant l'absorption, l'utilisation et le stockage du glucose. Une sécrétion insuffisante d'insuline provoque une élévation anormale du taux de glucose dans le sang (hyperglycémie) et peut mener au développement du diabète sucré. L'insuline est sécrétée dans le sang par un mécanisme particulier appelé exocytose. Une meilleure compréhension de ce mécanisme est nécessaire dans l'espoir de trouver des nouvelles thérapies pour traiter les 170 millions de personnes atteintes de diabète sucré à travers le monde. L'implication de diverses protéines, comme les SNAREs ou Rabs a déjà été démontrée. Cependant leurs mécanismes d'action restent, à ce jour, peu compris. De plus, l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des conditions physiopathologiques, comme l'hyperglycémie, est encore à élucider. Le but de mon travail de thèse a été de clarifier le rôle de deux protéines, Noc2 et Tomosyn, dans l'exocytose ; puis de déterminer les effets d'une exposition prolongée à un taux élevé de glucose sur l'ensemble des protéines de la machinerie d'exocytose. Noc2 est un partenaire potentiel de deux Rabs connues pour leur implication dans les dernières étapes de l'exocytose, Rab3 et Rab27. Grâce à l'étude de différents mutants de Noc2, j'ai montré que l'interaction avec Rab27 permet à la protéine de s'associer avec les organelles de la cellule β contenant l'insuline. De plus, en diminuant sélectivement l'expression de Noc2, j'ai déterminé l'importance de cette protéine pour le bon fonctionnement du processus d'exocytose et le relâchement de l'insuline. Quant à Tomosyn, une protéine interagissant avec les protéines SNAREs, j'ai démontré son importance dans la sécrétion d'insuline en diminuant de manière sélective son expression dans les cellules β. Ensuite, grâce à une combinaison d'approches moléculaires et de microscopie, j'ai mis en évidence le rôle de Tomosyn dans les dernières étapes de l'exocytose. Enfin, puisque la sécrétion d'insuline est diminuée lors d'une hyperglycémie prolongée, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à ces conditions. Ceci m'a permis de découvrir que l'expression de quatre protéines essentielles pour le processus d'exocytose, Noc2, Rab3, Rab27 et Granuphilin, est fortement diminuée lors d'une hyperglycémie chronique. L'ensemble de ces données met en évidence l'importance de Noc2 et Tomosyn dans la sécrétion d'insuline. L'inhibition, par un taux élevé de glucose, de l'expression de Noc2 et d'autres protéines indispensables pour l'exocytose suggère que ce phénomène pourrait contribuer au développement du diabète sucré. Résumé L'exocytose d'insuline, en réponse au glucose circulant dans le sang, est la fonction principale de la cellule β. Celle-ci permet de stabiliser le taux de glucose sanguin (glycémie). Le diabète de type 2 est caractérisé par une glycémie élevée due, principalement, à un défaut de sécrétion d'insuline en réponse au glucose. La compréhension des mécanismes qui contrôlent l'exocytose d'insuline est essentielle pour clarifier les causes du diabète sucré. Plusieurs composants impliqués dans ce processus ont été identifiés. Ceux-ci incluent les SNAREs Syntaxin-1, VAMP2 et SNAP25 et les GTPases Rab3 et Rab27 qui jouent un rôle dans les dernières étapes de l'exocytose. Pendant mon travail de thèse, j'ai étudié le rôle de Noc2, un des partenaires de Rab3 et Rab27, dans l'exocytose d'insuline. Nous avons déterminé que Noc2 s'associe aux granules de sécrétion d'insuline grâce à son interaction avec Rab27. La diminution de l'expression de Noc2 dans la lignée cellulaire β INS-1E, par ARN interférence, influence négativement la sécrétion d'insuline stimulée par différents sécrétagogues et prouve que cette protéine Noc2 est essentielle pour l'exocytose d'insuline. L'interaction avec Munc13, une protéine impliquée dans l'arrimage des vésicules, suggère que Noc2 participe au recrutement des granules d'insuline à la membrane plasmique. Ensuite, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des concentrations supraphysiologiques de glucose. Le niveau d'expression de Rab3 et Rab27 et de leurs effecteurs Granuphilin/S1p4 et Noc2 est fortement diminué par une exposition prolongée des cellules β à haut glucose. L'effet observé est en relation avec l'induction de l'expression de ICER, un facteur de transcription surexprimé dans des conditions d'hyperglycémie et également dans des modèles génétiques de diabète de type 2. La surexpression de ICER dans des cellules INS-1E diminue l'expression de Rab3, Rab27, Granuphilin/Slp4 et Noc2 et par conséquent l'exocytose d'insuline. Ainsi, l'induction de ICER, après une exposition prolongée à haut glucose, régule négativement l'expression de protéines essentielles pour l'exocytose et altère la sécrétion d'insuline. Ce mécanisme pourrait contribuer au dysfonctionnement de l'exocytose d'insuline dans le diabète de type 2. Dans la dernière partie de ma thèse, j'ai investigué le rôle de la protéine Tomosyn-1 dans la formation du complexe SNARE. Cette protéine a une forte affinité pour Syntaxin-1 et contient un domaine SNARE. Tomosyn-1 est concentrée dans les régions cellulaires enrichies en granules de sécrétion. La diminution sélective de l'expression de Tomosyn-1 induit une réduction de l'exocytose stimulée par différents sécrétagogues. Cet effet est dû à un défaut de fusion des granules avec la membrane plasmique. Ceci nous indique que Tomosyn-1 intervient dans une phase importante de la préparation des vésicules à la fusion, qui est nécessaire à l'exocytose. Abstract: Insulin exocytosis from pancreatic β-cells plays a central role in blood glucose homeostasis. Diabetes mellitus is a complex metabolic disorder characterized by secretory dysfunctions in pancreatic β-cells and release of amounts of insulin that are inappropriate to maintain blood glucose concentration within normal physiological ranges. To define the causes of β-cell failure a basic understanding of the molecular mechanisms that control insulin exocytosis is essential. Some of the molecular components involved in this process have been identified, including the SNARE proteins VAMP2, Syntaxin-1 and SNAP25 and the two GTPases, Rab3 and Rab27, that regulate the final steps of insulin secretion. I first investigated the role of Noc2, a potential Rab3 and Rab27 partner, in insulin secretion. I found that Noc2 associates with Rab27 and is recruited by this GTPase on insulin- containing granules. Silencing of the Noc2 gene by RNA interference led to a strong impairment in the capacity of the β-cell line INS-1E to respond to secretagogues, indicating that appropriate levels of the protein are essential for insulin exocytosis. I also showed that Noc2 interacts with Munc13, a protein that controls vesicle priming, suggesting a possible involvement of Noc2 in the recruitment of secretory granules at the plasma membrane. In the second part of my thesis, I investigated the adaptation of the molecular machinery of exocytosis to physiopathological conditions. I found that the expression of Rab3, Rab27 and of their effectors Granuphilin/Slp4 and Noc2 is dramatically decreased by chronic exposure of β-ce1ls to supraphysiological glucose levels. The observed glucotoxic effect is a consequence of the induction of ICER, a transcriptional repressor that is increased by prolonged hyperglycemia and in genetic models of type 2 diabetes. Overexpression of ICER reduced Granuphilin, Noc2, Rab3 and Rab27 levels and inhibited exocytosis. These results suggest that the presence of inappropriate levels of ICER diminishes the expression of a group of proteins essential for exocytosis and contributes to defective insulin release in type 2 diabetes. In the last part of my thesis, I focused my attention on the role of Tomosyn-1, a Syntaxin-1 binding protein possessing a SNARE-like motif, in the control of SNARE complex assembly. I found that Tomosyn-1 is concentrated in cellular compartments enriched in insulin-containing secretory granules. Silencing of Tomosyn-1 did not affect the number of secretory granules docked at the plasma membrane but decreased their release probability, resulting in a reduction in stimulus-induced insulin exocytosis. These findings suggest that Tomosyn-1 is involved in a post-docking event that prepares secretory granules for fusion and is necessary to sustain exocytosis in response to insulin secretagogues.

Two cases of interferon-alpha-induced sarcoidosis koebnerized along venous drainage lines : new pathogenic insights and review of the literature of interferon-induced sarcoidosis

La sarcoïdose est une affection inflammatoire granuiomateuse systémique d'origine inconnue touchant le plus fréquemment les poumons, le système lymphoïde, le foie, les yeux et la peau. Dans cet article, nous rapportons deux cas de sarcoïdose cutanée touchant les avant-bras de deux patients anciens toxicomanes traités par interféron-a et ribavirine pour une hépatite C chronique. Nous procédons à une revue de la littérature de la sarcoïdose induite par l'interféron et élaborons une nouvelle hypothèse pathogénique de l'effet Koebner dans la sarcoïdose cutanée. Dans le cas des deux patients que nous décrivons, la distribution des lésions cutanées coïncide avec les anciens sites d'injection d'héroïne le long des trajets veineux des deux avant- bras. Cette distribution unique de l'atteinte cutanée suggère que les dommages tissulaires induits par la répétition d'injections percutanées puissent représenter un terrain favorisant au développement local d'une sarcoïdose cutanée. Fait intéressant, il a été récemment démontré que les cellules dendritiques plasmacytoïdes - sous-type de cellules dendritiques généralement absent de la peau - infiltrent rapidement les sites de peau lésée. Ces cellules sont la source d'une production endogène d'interféron-a, cytokine connue pour promouvoir le processus de cicatrisation, mais également pour favoriser le développement de sarcoïdose chez des individus prédisposés. Ainsi, nous postulons que les lésions de sarcoïdose cutanée limitées le long des trajets veineux - sites préalables d'injection percutanée de drogues - peuvent résulter d'une expression locale supplémentaire d'interféron-a. Celle-ci serait en outre favorisée par le traitement de ribavirine dans le cadre de l'hépatite C, connu pour renforcer la production endogène d'interféron-a. L'identification de nombreuses cellules dendritiques plasmacytoïdes circonscrivant l'inflammation granuiomateuse sur la biopsie cutanée de l'un de nos patients semble être un argument dans ce sens, conforté par l'absence de corps étranger détecté en microscopie par lumière polarisée. Cette observation semble pouvoir représenter un point crucial dans la compréhension des mécanismes physiopathologiques à la base de l'infiltration des cicatrices cutanées par la sarcoïdose. Des investigations supplémentaires doivent encore être effectuées afin de confirmer cette hypothèse.

Ultrastructural analysis of neuronal plasticity in the adult mouse

ABSTRACT Adult neuronal plasticity is a term that corresponds to a set of biological mechanisms allowing a neuronal circuit to respond and adapt to modifications of the received inputs. Mystacial whiskers of the mouse are the starting point of a major sensory pathway that provides the animal with information from its immediate environment. Through whisking, information is gathered that allows the animal to orientate itself and to recognize objects. This sensory system is crucial for nocturnal behaviour during which vision is not of much use. Sensory information of the whiskers are sent via brainstem and thalamus to the primary somatosensory area (S1) of the cerebral cortex in a strictly topological manner. Cell bodies in the layer N of S 1 are arranged in ring forming structures called barrels. As such, each barrel corresponds to the cortical representation in layer IV of a single whisker follicle. This histological feature allows to identify with uttermost precision the part of the cortex devoted to a given whisker and to study modifications induced by different experimental conditions. The condition used in the studies of my thesis is the passive stimulation of one whisker in the adult mouse for a period of 24 hours. It is performed by glueing a piece of metal on one whisker and placing the awake animal in a cage surrounded by an electromagnetic coil that generates magnetic field burst inducing whisker movement at a given frequency during 24 hours. I analysed the ultrastructure of the barrel corresponding the stimulated whisker using serial sections electron microscopy and computer-based three-dimensional reconstructions; analysis of neighbouring, unstimulated barrels as well as those from unstimulated mice served as control. The following elements were structurally analyzed: the spiny dendrites, the axons of excitatory as well as inhibitory cells, their connections via synapses and the astrocytic processes. The density of synapses and spines is upregulated in a barrel corresponding to a stimulated whisker. This upregulation is absent in the BDNF heterozygote mice, indicating that a certain level of activity-dependent released BDNF is required for synaptogenesis in the adult cerebral cortex. Synpaptogenesis is correlated with a modification of the astrocytes that place themselves in closer vicinity of the excitatory synapses on spines. Biochemical analysis revealed that the astrocytes upregulate the expression of transporters by which they internalise glutamate, the neurotransmitter responsible for the excitatory response of cortical neurons. In the final part of my thesis, I show that synaptogenesis in the stimulated barrel is due to the increase in the size of excitatory axonal boutons that become more frequently multisynaptic, whereas the inhibitory axons do not change their morphology but form more synapses with spines apposed to them. Taken together, my thesis demonstrates that all the cellular elements present in the neuronal tissue of the adult brain contribute to activity-dependent cortical plasticity and form part of a mechanism by which the animal responds to a modified sensory experience. Throughout life, the neuronal circuit keeps the faculty to adapt its function. These adaptations are partially transitory but some aspects remain and could be the structural basis of a memory trace in the cortical circuit. RESUME La plasticité neuronale chez l'adulte désigne un ensemble de mécanismes biologiques qui permettent aux circuits neuronaux de répondre et de s'adapter aux modifications des stimulations reçues. Les vibrisses des souris sont un système crucial fournissant des informations sensorielles au sujet de l'environnement de l'animal. L'information sensorielle collectée par les vibrisses est envoyée via le tronc cérébral et le thalamus à l'aire sensorielle primaire (S 1) du cortex cérébral en respectant strictement la somatotopie. Les corps cellulaires dans la couche IV de S 1 sont organisés en anneaux délimitant des structures nommées tonneaux. Chaque tonneau reçoit l'information d'une seule vibrisse et l'arrangement des tonneaux dans le cortex correspond à l'arrangement des vibrisses sur le museau de la souris. Cette particularité histologique permet de sélectionner avec certitude la partie du cortex dévolue à une vibrisse et de l'étudier dans diverses conditions. Le paradigme expérimental utilisé dans cette thèse est la stimulation passive d'une seule vibrisse durant 24 heures. Pour ce faire, un petit morceau de métal est collé sur une vibrisse et la souris est placée dans une cage entourée d'une bobine électromagnétique générant un champ qui fait vibrer le morceau de métal durant 24 heures. Nous analysons l'ultrastructure du cortex cérébral à l'aide de la microscopie électronique et des coupes sériées permettant la reconstruction tridimensionnelle à l'aide de logiciels informatiques. Nous observons les modifications des structures présentes : les dendrites épineuses, les axones des cellules excitatrices et inhibitrices, leurs connections par des synapses et les astrocytes. Le nombre de synapses et d'épines est augmenté dans un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée 24 heures. Basé sur cela, nous montrons dans ces travaux que cette réponse n'est pas observée dans des souris hétérozygotes BDNF+/-. Cette neurotrophine sécrétée en fonction de l'activité neuronale est donc nécessaire pour la synaptogenèse. La synaptogenèse est accompagnée d'une modification des astrocytes qui se rapprochent des synapses excitatrices au niveau des épines dendritiques. Ils expriment également plus de transporteurs chargés d'internaliser le glutamate, le neurotransmetteur responsable de la réponse excitatrice des neurones. Nous montrons aussi que les axones excitateurs deviennent plus larges et forment plus de boutons multi-synaptiques à la suite de la stimulation tandis que les axones inhibiteurs ne changent pas de morphologie mais forment plus de synapses avec des épines apposées à leur membrane. Tous les éléments analysés dans le cerveau adulte ont maintenu la capacité de réagir aux modifications de l'activité neuronale et répondent aux modifications de l'activité permettant une constante adaptation à de nouveaux environnements durant la vie. Les circuits neuronaux gardent la capacité de créer de nouvelles synapses. Ces adaptations peuvent être des réponses transitoires aux stimuli mais peuvent aussi laisser une trace mnésique dans les circuits.

Space-time front-ends for RAKE receivers in the FDD mode of UTRA

A unified and general vision of different space-time processors is presented. Many popular receivers can beaccomodated, like V-RAKE receivers, weighted V-RAKE, or spatial narrowband beamforming. By makingappropriate assumptions on the space/time characteristic of the interference it is possible to enhance theperformance of the receiver through spatial/temporal pre-processors. These receivers will be tested in the FDDmode of UTRA.

Cryo-electron microscopy of vitreous sections of native biological cells and tissues : methodology and applications

Résumé L'eau est souvent considérée comme une substance ordinaire puisque elle est très commune dans la nature. En fait elle est la plus remarquable de toutes les substances. Sans l'eau la vie sur la terre n'existerait pas. L'eau représente le composant majeur de la cellule vivante, formant typiquement 70 à 95% de la masse cellulaire et elle fournit un environnement à d'innombrables organismes puisque elle couvre 75% de la surface de terre. L'eau est une molécule simple faite de deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Sa petite taille semble en contradiction avec la subtilité de ses propriétés physiques et chimiques. Parmi celles-là, le fait que, au point triple, l'eau liquide est plus dense que la glace est particulièrement remarquable. Malgré son importance particulière dans les sciences de la vie, l'eau est systématiquement éliminée des spécimens biologiques examinés par la microscopie électronique. La raison en est que le haut vide du microscope électronique exige que le spécimen biologique soit solide. Pendant 50 ans la science de la microscopie électronique a adressé ce problème résultant en ce moment en des nombreuses techniques de préparation dont l'usage est courrant. Typiquement ces techniques consistent à fixer l'échantillon (chimiquement ou par congélation), remplacer son contenu d'eau par un plastique doux qui est transformé à un bloc rigide par polymérisation. Le bloc du spécimen est coupé en sections minces (d’environ 50 nm) avec un ultramicrotome à température ambiante. En général, ces techniques introduisent plusieurs artefacts, principalement dû à l'enlèvement d'eau. Afin d'éviter ces artefacts, le spécimen peut être congelé, coupé et observé à basse température. Cependant, l'eau liquide cristallise lors de la congélation, résultant en une importante détérioration. Idéalement, l'eau liquide est solidifiée dans un état vitreux. La vitrification consiste à refroidir l'eau si rapidement que les cristaux de glace n'ont pas de temps de se former. Une percée a eu lieu quand la vitrification d'eau pure a été découverte expérimentalement. Cette découverte a ouvert la voie à la cryo-microscopie des suspensions biologiques en film mince vitrifié. Nous avons travaillé pour étendre la technique aux spécimens épais. Pour ce faire les échantillons biologiques doivent être vitrifiés, cryo-coupées en sections vitreuse et observées dans une cryo-microscope électronique. Cette technique, appelée la cryo- microscopie électronique des sections vitrifiées (CEMOVIS), est maintenant considérée comme étant la meilleure façon de conserver l'ultrastructure de tissus et cellules biologiques dans un état très proche de l'état natif. Récemment, cette technique est devenue une méthode pratique fournissant des résultats excellents. Elle a cependant, des limitations importantes, la plus importante d'entre elles est certainement dû aux artefacts de la coupe. Ces artefacts sont la conséquence de la nature du matériel vitreux et le fait que les sections vitreuses ne peuvent pas flotter sur un liquide comme c'est le cas pour les sections en plastique coupées à température ambiante. Le but de ce travail a été d'améliorer notre compréhension du processus de la coupe et des artefacts de la coupe. Nous avons ainsi trouvé des conditions optimales pour minimiser ou empêcher ces artefacts. Un modèle amélioré du processus de coupe et une redéfinitions des artefacts de coupe sont proposés. Les résultats obtenus sous ces conditions sont présentés et comparés aux résultats obtenus avec les méthodes conventionnelles. Abstract Water is often considered to be an ordinary substance since it is transparent, odourless, tasteless and it is very common in nature. As a matter of fact it can be argued that it is the most remarkable of all substances. Without water life on Earth would not exist. Water is the major component of cells, typically forming 70 to 95% of cellular mass and it provides an environment for innumerable organisms to live in, since it covers 75% of Earth surface. Water is a simple molecule made of two hydrogen atoms and one oxygen atom, H2O. The small size of the molecule stands in contrast with its unique physical and chemical properties. Among those the fact that, at the triple point, liquid water is denser than ice is especially remarkable. Despite its special importance in life science, water is systematically removed from biological specimens investigated by electron microscopy. This is because the high vacuum of the electron microscope requires that the biological specimen is observed in dry conditions. For 50 years the science of electron microscopy has addressed this problem resulting in numerous preparation techniques, presently in routine use. Typically these techniques consist in fixing the sample (chemically or by freezing), replacing its water by plastic which is transformed into rigid block by polymerisation. The block is then cut into thin sections (c. 50 nm) with an ultra-microtome at room temperature. Usually, these techniques introduce several artefacts, most of them due to water removal. In order to avoid these artefacts, the specimen can be frozen, cut and observed at low temperature. However, liquid water crystallizes into ice upon freezing, thus causing severe damage. Ideally, liquid water is solidified into a vitreous state. Vitrification consists in solidifying water so rapidly that ice crystals have no time to form. A breakthrough took place when vitrification of pure water was discovered. Since this discovery, the thin film vitrification method is used with success for the observation of biological suspensions of. small particles. Our work was to extend the method to bulk biological samples that have to be vitrified, cryosectioned into vitreous sections and observed in cryo-electron microscope. This technique is called cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS). It is now believed to be the best way to preserve the ultrastructure of biological tissues and cells very close to the native state for electron microscopic observation. Since recently, CEMOVIS has become a practical method achieving excellent results. It has, however, some sever limitations, the most important of them certainly being due to cutting artefacts. They are the consequence of the nature of vitreous material and the fact that vitreous sections cannot be floated on a liquid as is the case for plastic sections cut at room temperature. The aim of the present work has been to improve our understanding of the cutting process and of cutting artefacts, thus finding optimal conditions to minimise or prevent these artefacts. An improved model of the cutting process and redefinitions of cutting artefacts are proposed. Results obtained with CEMOVIS under these conditions are presented and compared with results obtained with conventional methods.

Cryo-negative staining: advantages and applications for three-dimensional electron microscopy of biological macromolecules

Les échantillons biologiques ne s?arrangent pas toujours en objets ordonnés (cristaux 2D ou hélices) nécessaires pour la microscopie électronique ni en cristaux 3D parfaitement ordonnés pour la cristallographie rayons X alors que de nombreux spécimens sont tout simplement trop << gros D pour la spectroscopie NMR. C?est pour ces raisons que l?analyse de particules isolées par la cryo-microscopie électronique est devenue une technique de plus en plus importante pour déterminer la structure de macromolécules. Néanmoins, le faible rapport signal-sur-bruit ainsi que la forte sensibilité des échantillons biologiques natifs face au faisceau électronique restent deux parmi les facteurs limitant la résolution. La cryo-coloration négative est une technique récemment développée permettant l?observation des échantillons biologiques avec le microscope électronique. Ils sont observés à l?état vitrifié et à basse température, en présence d?un colorant (molybdate d?ammonium). Les avantages de la cryo-coloration négative sont étudiés dans ce travail. Les résultats obtenus révèlent que les problèmes majeurs peuvent êtres évités par l?utilisation de cette nouvelle technique. Les échantillons sont représentés fidèlement avec un SNR 10 fois plus important que dans le cas des échantillons dans l?eau. De plus, la comparaison de données obtenues après de multiples expositions montre que les dégâts liés au faisceau électronique sont réduits considérablement. D?autre part, les résultats exposés mettent en évidence que la technique est idéale pour l?analyse à haute résolution de macromolécules biologiques. La solution vitrifiée de molybdate d?ammonium entourant l?échantillon n?empêche pas l?accès à la structure interne de la protéine. Finalement, plusieurs exemples d?application démontrent les avantages de cette technique nouvellement développée.<br/><br/>Many biological specimens do not arrange themselves in ordered assemblies (tubular or flat 2D crystals) suitable for electron crystallography, nor in perfectly ordered 3D crystals for X-ray diffraction; many other are simply too large to be approached by NMR spectroscopy. Therefore, single-particles analysis has become a progressively more important technique for structural determination of large isolated macromolecules by cryo-electron microscopy. Nevertheless, the low signal-to-noise ratio and the high electron-beam sensitivity of biological samples remain two main resolution-limiting factors, when the specimens are observed in their native state. Cryo-negative staining is a recently developed technique that allows the study of biological samples with the electron microscope. The samples are observed at low temperature, in the vitrified state, but in presence of a stain (ammonium molybdate). In the present work, the advantages of this novel technique are investigated: it is shown that cryo-negative staining can generally overcome most of the problems encountered with cryo-electron microscopy of vitrified native suspension of biological particles. The specimens are faithfully represented with a 10-times higher SNR than in the case of unstained samples. Beam-damage is found to be considerably reduced by comparison of multiple-exposure series of both stained and unstained samples. The present report also demonstrates that cryo-negative staining is capable of high- resolution analysis of biological macromolecules. The vitrified stain solution surrounding the sample does not forbid the access to the interna1 features (ie. the secondary structure) of a protein. This finding is of direct interest for the structural biologist trying to combine electron microscopy and X-ray data. developed electron microscopy technique. Finally, several application examples demonstrate the advantages of this newly