Identification of a Ca2+/H+ Antiport in the Plant Chloroplast Thylakoid Membrane1

To assess the availability of Ca2+ in the lumen of the thylakoid membrane that is required to support the assembly of the oxygen-evolving complex of photosystem II, we have investigated the mechanism of 45Ca2+ transport into the lumen of pea (Pisum sativum) thylakoid membranes using silicone-oil centrifugation. Trans-thylakoid Ca2+ transport is dependent on light or, in the dark, on exogenously added ATP. Both light and ATP hydrolysis are coupled to Ca2+ transport through the formation of a transthylakoid pH gradient. The H+-transporting ionophores nigericin/K+ and carbonyl cyanide 3-chlorophenylhydrazone inhibit the transport of Ca2+. Thylakoid membranes are capable of accumulating up to 30 nmol Ca2+ mg−1 chlorophyll from external concentrations of 15 μm over the course of a 15-min reaction. These results are consistent with the presence of an active Ca2+/H+ antiport in the thylakoid membrane. Ca2+ transport across the thylakoid membrane has significant implications for chloroplast and plant Ca2+ homeostasis. We propose a model of chloroplast Ca2+ regulation whereby the activity of the Ca2+/H+ antiporter facilitates the light-dependent uptake of Ca2+ by chloroplasts and reduces stromal Ca2+ levels.

Red Bell Pepper Chromoplasts Exhibit in Vitro Import Competency and Membrane Targeting of Passenger Proteins from the Thylakoidal Sec and ΔpH Pathways but Not the Chloroplast Signal Recognition Particle Pathway1

Chloroplast to chromoplast development involves new synthesis and plastid localization of nuclear-encoded proteins, as well as changes in the organization of internal plastid membrane compartments. We have demonstrated that isolated red bell pepper (Capsicum annuum) chromoplasts contain the 75-kD component of the chloroplast outer envelope translocon (Toc75) and are capable of importing chloroplast precursors in an ATP-dependent fashion, indicating a functional general import apparatus. The isolated chromoplasts were able to further localize the 33- and 17-kD subunits of the photosystem II O2-evolution complex (OE33 and OE17, respectively), lumen-targeted precursors that utilize the thylakoidal Sec and ΔpH pathways, respectively, to the lumen of an internal membrane compartment. Chromoplasts contained the thylakoid Sec component protein, cpSecA, at levels comparable to chloroplasts. Routing of OE17 to the lumen was abolished by ionophores, suggesting that routing is dependent on a transmembrane ΔpH. The chloroplast signal recognition particle pathway precursor major photosystem II light-harvesting chlorophyll a/b protein failed to associate with chromoplast membranes and instead accumulated in the stroma following import. The Pftf (plastid fusion/translocation factor), a chromoplast protein, integrated into the internal membranes of chromoplasts during in vitro assays, and immunoblot analysis indicated that endogenous plastid fusion/translocation factor was also an integral membrane protein of chromoplasts. These data demonstrate that the internal membranes of chromoplasts are functional with respect to protein translocation on the thylakoid Sec and ΔpH pathways.

Induction of Acclimative Proteolysis of the Light-Harvesting Chlorophyll a/b Protein of Photosystem II in Response to Elevated Light Intensities1

Most plants have the ability to respond to fluctuations in light to minimize damage to the photosynthetic apparatus. A proteolytic activity has been discovered that is involved in the degradation of the major light-harvesting chlorophyll a/b-binding protein of photosystem II (LHCII) when the antenna size of photosystem II is reduced upon acclimation of plants from low to high light intensities. This ATP-dependent proteolytic activity is of the serine or cysteine type and is associated with the outer membrane surface of the stroma-exposed thylakoid regions. The identity of the protease is not known, but it does not correspond to the recently identified chloroplast ATP-dependent proteases Clp and FtsH, which are homologs to bacterial enzymes. The acclimative response shows a delay of 2 d after transfer of the leaves to high light. This lag period was shown to be attributed to expression or activation of the responsible protease. Furthermore, the LHCII degradation was found to be regulated at the substrate level. The degradation process involves lateral migration of LHCII from the appressed to the nonappressed thylakoid regions, which is the location for the responsible protease. Phosphorylated LHCII was found to be a poor substrate for degradation in comparison with the unphosphorylated form of the protein. The relationship between LHCII degradation and other regulatory proteolytic processes in the thylakoid membrane, such as D1-protein degradation, is discussed.

A chloroplast homologue of the signal recognition particle subunit SRP54 is involved in the posttranslational integration of a protein into thylakoid membranes.

The mechanisms involved in the integration of proteins into the thylakoid membrane are largely unknown. However, many of the steps of this process for the light-harvesting chlorophyll a/b protein (LHCP) have been described and reconstituted in vitro. LHCP is synthesized as a precursor in the cytosol and posttranslationally imported into chloroplasts. Upon translocation across the envelope membranes, the N-terminal transit peptide is cleaved, and the apoprotein is assembled into a soluble "transit complex" and then integrated into the thylakoid membrane via three transmembrane helices. Here we show that 54CP, a chloroplast homologue of the 54-kDa subunit of the mammalian signal recognition particle (SRP54), is essential for transit complex formation, is present in the complex, and is required for LHCP integration into the thylakoid membrane. Our data indicate that 54CP functions posttranslationally as a molecular chaperone and potentially pilots LHCP to the thylakoids. These results demonstrate that one of several pathways for protein routing to the thylakoids is homologous to the SRP pathway and point to a common evolutionary origin for the protein transport systems of the endoplasmic reticulum and the thylakoid membrane.

Lipid assisted membrane entry in specific phospholipid targeted protein systems

The purpose of this thesis project is to study changes in the physical state of cell membranes during cell entry, including how these changes are connected to the presence of ceramide. The role of enzymatical manipulation of lipids in bacterial internalization is also studied. A novel technique, where a single giant vesicle is chosen under the microscope and an enzyme coupled-particle attached to the micromanipulator pipette towards the vesicle, is used. Thus, the enzymatic reaction on the membrane of the giant vesicle can be followed in real-time. The first aim of this study is to develop a system where the localized sphingomyelinase membrane interaction could be observed on the surface of the giant vesicle and the effects could be monitored with microscopy. Domain formation, which resembles acid sphingomyelinase (ASMase), causes CD95 clustering in the cell membrane due to ceramide production (Grassmé et al., 2001a; Grassmé et al., 2001b) and the formation of small vesicles inside the manipulated giant vesicle is observed. Sphingomyelinase activation has also been found to be an important factor in the bacterial and viral invasion process in nonphagocytic cells (Grassmé et al., 1997; Jan et al., 2000). Accordingly, sphingomyelinase reactions in the cell membrane might also give insight into bacterial or viral cellular entry events. We found sphingomyelinase activity in Chlamydia pneumonia elementarybodies (EBs). Interestingly, the bacterium enters host cells by endocytosis but the internalization mechanism of Chlamydia is unknown. The hypothesis is that sphingomyelin is needed for host cell entry in the infection of C. pneumonia. The second project focuses on this subject. The goal of the third project is to study a role of phosphatidylserine as a target for a membrane binding protein. Phosphatidylserine is chosen because of its importance in fusion processes. This will be another example for the importance of lipids in cell targeting, internalization, and externalization.

Thylakoid terminal oxidases are essential for the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 to survive rapidly changing light intensities.

Cyanobacteria perform photosynthesis and respiration in the thylakoid membrane, suggesting that the two processes are interlinked. However, the role of the respiratory electron transfer chain under natural environmental conditions has not been established. Through targeted gene disruption, mutants of Synechocystis sp. PCC 6803 were generated that lacked combinations of the three terminal oxidases: the thylakoid membrane-localized cytochrome c oxidase (COX) and quinol oxidase (Cyd) and the cytoplasmic membrane-localized alternative respiratory terminal oxidase. All strains demonstrated similar growth under continuous moderate or high light or 12-h moderate-light/dark square-wave cycles. However, under 12-h high-light/dark square-wave cycles, the COX/Cyd mutant displayed impaired growth and was completely photobleached after approximately 2 d. In contrast, use of sinusoidal light/dark cycles to simulate natural diurnal conditions resulted in little photobleaching, although growth was slower. Under high-light/dark square-wave cycles, the COX/Cyd mutant suffered a significant loss of photosynthetic efficiency during dark periods, a greater level of oxidative stress, and reduced glycogen degradation compared with the wild type. The mutant was susceptible to photoinhibition under pulsing but not constant light. These findings confirm a role for thylakoid-localized terminal oxidases in efficient dark respiration, reduction of oxidative stress, and accommodation of sudden light changes, demonstrating the strong selective pressure to maintain linked photosynthetic and respiratory electron chains within the thylakoid membrane. To our knowledge, this study is the first to report a phenotypic difference in growth between terminal oxidase mutants and wild-type cells and highlights the need to examine mutant phenotypes under a range of conditions.

Consumption of fa cai Nostoc soup: A Potential for BMAA exposure from Nostoc cyanobacteria in China?

Grown in arid regions of western China the cyanobacterium Nostoc flagelliforme - called fa cai in Mandarin and fat choy in Cantonese - is wild-harvested and used to make soup consumed during New Year's celebrations. High prices, up to $125 USD/kg, led to overharvesting in Inner Mongolia, Ningxia, Gansu, Qinghai, and Xinjiang. Degradation of arid ecosystems, desertification, and conflicts between Nostoc harvesters and Mongol herdsman concerned the Chinese environmental authorities, leading to a government ban of Nostoc commerce. This ban stimulated increased marketing of a substitute made from starch. We analysed samples purchased throughout China as well as in Chinese markets in the United States and the United Kingdom. Some were counterfeits consisting of dyed starch noodles. A few samples from California contained Nostoc flagelliforme but were adulterated with starch noodles. Other samples, including those from the United Kingdom, consisted of pure Nostoc flagelliforme. A recent survey of markets in Cheng Du showed no real Nostoc flagelliforme to be marketed. Real and artificial fa cai differ in the presence of beta-N-methylamino-L-alanine (BMAA). Given its status as a high-priced luxury food, the government ban on collection and marketing, and the replacement of real fa cai with starch substitutes consumed only on special occasions, it is anticipated that dietary exposure to BMAA from fa cai will be reduced in the future in China.

Langmuir-Blodgett film of phycobilisomes from blue-green alga Spirulina platensis

The phycobilisomes were isolated from blue-green alga Spirulina platensis, and could form monolayer film at air/water interface. The monolayer film of phycobilisomes was transferred to newly cleaved mica, and coated with gold. Scanning tunneling microscope was used to investigate the structure of the Langmuir-Blodgett film of phycobilisomes. It was shown that phycobilisomes in the monolayer arrayed in rows with core attaching on the substrate surface and rods radiating towards the air phase, this phenomenon was similar to the arrangement of phycobilisomes on cytoplasmic surface of thylakoid membrane in vivo. The possible applications of the Langmuir-Blodgett film of phycobilisomes were also discussed.

三种红藻光合作用色素系统的比较研究

本研究分为三个部分：1.以坛紫菜（Porphyra haitanesis Chang et Zheng）的叶状体和丝状体为研究对象，比较坛紫菜叶状体和丝状体的光合色素、色素蛋白的组成，并提取纯化藻红蛋白、藻蓝蛋白、藻胆体及类囊体膜和光系统。研究结果表明坛紫菜叶状体和丝状体色素及色素蛋白的含量不同，藻红蛋白是主要的色素蛋白，坛紫菜叶状体和丝状体的藻红蛋白的含量分别为2.9mg藻红蛋白/g鲜重、4.2mg藻红蛋白/g鲜重，这表明坛紫菜叶状体和丝状体藻红蛋白含量丰富，是提取藻红蛋白很好的材料。藻胆体的性质差异不大，但类囊体膜差异显著，从坛紫菜叶状体中分离到了两种不同的类囊体膜带，光系统Ⅰ(PSⅠ)和PSⅡ分别结合在两条类囊体膜带上，但从坛紫菜丝状体中也分离到两条类囊体膜带，它们的光谱性质和蛋白组成相似，仅放氧速率和DCIP活性有差异，从坛紫菜丝状体中我们仅分离到PSⅡ。坛紫菜叶状体PSⅡ有5种外在蛋白(33、20、Cytc 550、15、12kDa蛋白)，而坛紫菜丝状体外在蛋白仅有4条，缺少12kDa蛋白。2. 以在中国江苏部分地区进行了大规模的商业化栽培的突变体条斑紫菜（Porphyra yezoensis Ueda）和野生型条斑紫菜为研究对象，比较其色素及色素蛋白组成、对不能光质的利用率及藻胆体的组成。条斑紫菜和突变型条斑紫菜对不同的光质利用效果有差异，在白光的照射下，野生型紫菜的放氧速率最大，而突变型紫菜在黄光照射下的放氧速率最大。条斑紫菜野生型与突变型色素含量上有明显的差异,突变型紫菜的藻红蛋白含量明显减少而藻蓝蛋白的含量增加。通过杂交的方法证实诱变所获得条斑紫菜突变体为细胞质突变，但是突变型紫菜却发生了由细胞核编码的γ亚基的缺失，这表明突变型紫菜藻红蛋白含量和性质发生了明显的变化。3. 为了找出淡水红藻-深紫美芒藻(Compsopogon coeruleus (Balbis) Montagne)分布狭窄及生物产量低的原因，本文对深紫美芒藻在不同的盐离子浓度下的放氧速率及藻胆体色素组成和结构上进行研究。结果显示：微量的NaCl（0.1mM）促进深紫美芒藻放氧，而深紫美芒藻在较高的NaCl（1、10mM）, NaH2PO4 （0.1、1、10mM）和 NH4NO3（0.1、1、10mM）溶液中却没有检测到氧气的产生。这与深紫美芒藻生长的环境一致即深紫美芒藻生活在低盐浓度、低营养的泉水中。深紫美芒藻的藻胆体是由藻红蛋白、藻蓝蛋白及别藻蓝蛋白组成，上面结合α、β和γ亚基，含有藻红胆素、藻篮胆素，但缺乏缺少藻尿胆素。

Competing demands for a complex system : photosystem II repair, photoprotection and quantum yield

Photosynthesis in general is a key biological process on Earth and Photo system II (PSII) is an important component of this process. PSII is the only enzyme capable of oxidizing water and is largely responsible for the primordial build-up and present maintenance of the oxygen in the atmosphere. This thesis endeavoured to understand the link between structure and function in PSII with special focus on primary photochemistry, repair/photodamage and spectral characteristics. The deletion of the PsbU subunit ofPSII in cyanobacteria caused a decoupling of the Phycobilisomes (PBS) from PSII, likely as a result of increased rates of PSII photodamage with the PBS decoupling acting as a measure to protect PSII from further damage. Isolated fractions of spinach thylakoid membranes were utilized to characterize the heterogeneity present in the various compartments of the thylakoid membrane. It was found that the pooled PSIILHCII pigment populations were connected in the grana stack and there was also a progressive decrease in the reaction rates of primary photochemistry and antennae size of PSII as the sample origin moved from grana to stroma. The results were consistent with PSII complexes becoming damaged in the grana and being sent to the stroma for repair. The dramatic quenching of variable fluorescence and overall fluorescent yield of PSII in desiccated lichens was also studied in order to investigate the mechanism by which the quenching operated. It was determined that the source of the quenching was a novel long wavelength emitting external quencher. Point mutations to amino acids acting as ligands to chromophores of interest in PSII were utilized in cyanobacteria to determine the role of specific chromophores in energy transfer and primary photochemistry. These results indicated that the Hl14 ligated chlorophyll acts as the 'trap' chlorophyll in CP47 at low temperature and that the Q130E mutation imparts considerable changes to PSII electron transfer kinetics, essentially protecting the complex via increased non-radiative charge Photosynthesis in general is a key biological process on Earth and Photo system II (PSII) is an important component of this process. PSII is the only enzyme capable of oxidizing water and is largely responsible for the primordial build-up and present maintenance of the oxygen in the atmosphere. This thesis endeavoured to understand the link between structure and function in PSII with special focus on primary photochemistry, repair/photodamage and spectral characteristics. The deletion of the PsbU subunit ofPSII in cyanobacteria caused a decoupling of the Phycobilisomes (PBS) from PSII, likely as a result of increased rates of PSII photodamage with the PBS decoupling acting as a measure to protect PSII from further damage. Isolated fractions of spinach thylakoid membranes were utilized to characterize the heterogeneity present in the various compartments of the thylakoid membrane. It was found that the pooled PSIILHCII pigment populations were connected in the grana stack and there was also a progressive decrease in the reaction rates of primary photochemistry and antennae size of PSII as the sample origin moved from grana to stroma. The results were consistent with PSII complexes becoming damaged in the grana and being sent to the stroma for repair. The dramatic quenching of variable fluorescence and overall fluorescent yield of PSII in desiccated lichens was also studied in order to investigate the mechanism by which the quenching operated. It was determined that the source of the quenching was a novel long wavelength emitting external quencher. Point mutations to amino acids acting as ligands to chromophores of interest in PSII were utilized in cyanobacteria to determine the role of specific chromophores in energy transfer and primary photochemistry. These results indicated that the Hl14 ligated chlorophyll acts as the 'trap' chlorophyll in CP47 at low temperature and that the Q130E mutation imparts considerable changes to PSII electron transfer kinetics, essentially protecting the complex via increased non-radiative charge.

Substance P, récepteurs NK1 et neurones à sérotonine : relations anatomiques et fonctionnelles dans le noyau raphe dorsalis

Nous avons étudié les relations anatomiques entre les systèmes de neurotransmission à substance P (SP) et à sérotonine (5-hydroxytryptamine, 5-HT) dans le noyau du raphé dorsal (NRD) du rongeur, afin de mieux comprendre les interactions entre ces systèmes durant la régulation de l’humeur. Le NRD reçoit une innervation SP provenant de l’habenula, et le blocage pharmacologique des récepteurs neurokinine-1 (rNK1) de la SP aurait des effets antidépresseurs. Chez le rongeur, le traitement par les antagonistes des rNK1 s’accompagne d’une désensibilisation des autorécepteurs 5-HT1A de la 5-HT et d’une hausse de l’activité des neurones 5-HT dans le NRD, suggérant des interactions locales entre ces deux systèmes. Dans un premier temps, nous avons démontré par doubles marquages immunocytochimiques en microscopies optique, confocale et électronique, la présence du rNK1 dans une sous-population de neurones 5-HT du NRD caudal. Lors de l’analyse en microscopie électronique, nous avons pu constater que les rNK1 étaient principalement cytoplasmiques dans les neurones 5-HT et membranaires sur les neurones non 5-HT du noyau. Grâce à d’autres doubles marquages, nous avons aussi pu identifier les neurones non-5-HT porteurs de rNK1 comme étant GABAergiques. Nous avons ensuite combiné l’immunomarquage de la SP avec celui du rNK1, dans le but d’examiner les relations entre les terminaisons (varicosités *) axonales SP et les neurones 5-HT (pourvus de rNK1 cytoplasmiques du NRD caudal. En simple marquage de la SP, nous avons pu estimer à 41% la fréquence avec laquelle les terminaisons SP font synapse. Dans le matériel doublement marqué pour la SP et son récepteur, les terminaisons SP ont été fréquemment retrouvées en contact direct ou à proximité des dendrites munies de rNK1 cytoplasmiques, mais toujours éloignées des dendrites à rNK1 membranaires. Pour tester l’hypothèse d’une internalisation soutenue des rNK1 par la SP dans les neurones 5-HT, nous avons ensuite examiné la localisation subcellulaire du récepteur chez le rat traité avec un antagoniste du rNK1, le RP67580. La densité du marquage des rNK1 a été mesurée dans le cytoplasme et sur la membrane des deux types de dendrites (5-HT: rNK1 cytoplasmiques; non 5-HT: rNK1 membranaires). Une heure après une injection unique de l’antagoniste, la distribution du rNK1 est apparue inchangée dans les deux types de neurones (5-HT et non 5-HT). Par contre, après un traitement quotidien de 7 ou 21 jours avec l’antagoniste, nous avons mesuré une augmentation significative des densités cytoplasmique et membranaire du rNK1 dans les neurones 5-HT, sans aucun changement dans les neurones non 5-HT. Ces traitements ont aussi augmenté l’expression du gène rNK1 dans le NRD. Enfin, nous avons mesuré une hausse de la densité membranaire du rNK1 dans les neurones 5-HT, sans hausse de densité cytoplasmique, par suite d’une lésion bilatérale de l’habenula. Ces résultats confortent l’hypothèse d’une activation et d’une internalisation soutenues des rNK1 par la SP dans les neurones 5-HT du NRD caudal. Ils suggèrent aussi que le trafic des rNK1 dans les neurones 5-HT du NRD représente un mécanisme cellulaire en contrôle de l’activation du système 5-HT par les afférences SP en provenance de l’habenula.

Contrôle de l'expression de la protéine PHEX et rôle de PHEX et FGF23 dans la minéralisation par les cellules MC3T3

PHEX est une protéine importante dans le processus de minéralisation osseuse. Des mutations ou la délétion d’une partie de ce gène causent l’hypophosphatémie liée au chromosome X (XLH). Cette maladie est caractérisée par une hypophosphatémie, accompagnée de défauts de minéralisation, de rachitisme et de lésions ostéomalaciques. Avec l’hypophosphatémie, les taux circulants de vitamine D devraient être augmentés, ce qui n’est pas le cas d’où une régulation anormale de la production de vitamine D a lieu. Cependant, malgré le fait que cette protéine soit une peptidase, aucun substrat physiologique n’a encore été répertorié pour PHEX. PHEX est une protéine membranaire de type II de la famille M13 des métalloendopeptidases à zinc possédant un court domaine N-terminal cytosolique, un segment transmembrannaire d’environ 20 acides aminés et une large portion C-terminale extracellulaire où se trouve le site actif de l’enzyme. PHEX est exprimée de façon majoritaire dans les os et dans les dents et elle apparaît à l’initiation de la minéralisation. Les patients souffrant de XLH et la souris Hyp, qui est un modèle animal de la maladie humaine, montrent des quantités importantes de la protéine FGF23. De plus, FGF23 est impliqué dans une autre maladie reliée au métabolisme du phosphate, l’hypophosphatémie rachitique autosomale dominante (ADHR) où des mutations de FGF23 causent sensiblement les mêmes symptômes que XLH. FGF23 est produit principalement par les ostéoblastes et les ostéocytes. FGF23 cause une hypophosphatémie par la diminution de l’expression du cotransporteur NaPi de type II, responsable de la réabsorption du phosphate rénal. L’hypothèse proposée dans la littérature serait que PHEX activerait ou inactiverait des peptides importants pour la minéralisation osseuse. Plus spécifiquement, l’activation ou l’inactivation de ces peptides aurait pour rôle de réguler les quantités de FGF23. Selon l’hypothèse mentionnée précédemment, la régulation de PHEX pourrait donc avoir un effet sur la minéralisation. Une quantité croissante de données sur la régulation de PHEX sont maintenant disponibles. Par exemple, la vitamine D diminue l’expression de PHEX tandis que les glucocorticoïdes et l’hormone de croissance augmentent son expression. Dans une première étude, nous avons voulu déterminer si un peptide relié à la minéralisation osseuse, le PTHrP1-34, pouvait réguler l’expression de PHEX. Nous avons déterminé que le PTHrP1-34 peut réguler de façon négative l’expression de PHEX dans les cellules UMR-106, une lignée cellulaire ostéoblastique. Cette régulation passe par la voie de l’AMPc/protéine kinase A. De plus, cette diminution d’expression est également observée au jour 7 dans des cultures primaires d’ostéoblastes de rat en minéralisation. Par la suite, nous avons étudié un mutant de PHEX, le mutant E4Q retrouvé chez un patient souffrant de XLH, où la mutation se retrouve dans le domaine cytosolique de PHEX. Cette mutation n’interfère pas avec le site catalytique de l’enzyme puisque ce mutant de PHEX peut tout aussi bien cliver un substrat synthétique que la protéine sauvage. Il a été déterminé que cette mutation annule un motif di-acide. Nous avons démontré que ce motif di-acide est responsable de la liaison de PHEX à COPII, responsable de la formation de vésicules de sécrétion. De plus, il semblerait que ce motif soit important, probablement par son interaction avec COPII, à l’incorporation de PHEX dans des vésicules de calcification, lesdites vésicules étant importantes dans le processus de minéralisation. Finalement, des essais de compétitions ont démontré que la minéralisation pouvait être perturbée lorsque l’on surexprimait la queue cytosolique sauvage de PHEX, contrairement à la queue mutée. Ceci suggère possiblement que l’interaction avec COPII menant à l’incorporation de PHEX dans les vésicules de calcification ou d’autres protéines comprenant de tels motifs pourrait être importante pour la minéralisation. Finalement, la dernière étude porte sur la protéine FGF23. Nous avons démontré, par la surexpression de FGF23 dans la lignée MC3T3 d’ostéoblastes de souris, que cette surexpression a un effet sur la sénescence de ces cellules. En effet, des essais de sénescence ont montré l’augmentation de celle-ci lorsque FGF23 est surexprimé. Par contre, la prolifération n’est pas altérée. De plus, il semblerait que la différenciation soit plus rapide, tel qu’observé par une minéralisation survenant plus tôt, mais n’étant pas plus importante. Bref, la surexpression de FGF23 semblerait faire en sorte que les ostéoblastes se différencient plus rapidement et passent donc à un état de sénescence prématuré comparativement aux cellules sauvages. Ceci est en accord avec la littérature où KLOTHO, un cofacteur de FGF23 permettant sa liaison avec une plus grande affinité sur son récepteur, lorsqu’inactivé démontre un phénotype similaire au vieillissement incluant un phénotype de sénescence.

Étude des déterminants moléculaires de la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G et développement d'outils pour l'étude de l'effecteur bêta-arrestine.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la plus grande famille de protéines membranaires du génome humain. Ils transmettent les signaux extracellulaires provenant de plusieurs stimuli comme les odeurs, les ions, les hormones et les neurotransmetteurs, à l'intérieur des cellules. En se liant aux RCPGs, ces molécules contribuent à la stabilisation des changements conformationnels activateurs qui se propagent jusqu'au domaine intracellulaire des récepteurs. Ces derniers engagent ensuite un ou plusieurs effecteurs, comme les protéines G hétérotrimériques et les β-arrestines (βarrs), qui activent une cascade d'événements moléculaires menant à la réponse cellulaire.Récemment, la publication de structures cristallines de RCPGs liant des ligands diffusibles a offert une opportunité de raffiner à une résolution atomique les modèles des mécanismes de transduction des signaux. Dans la première partie de cette thèse, nous avons donc exploré les déterminants de la signalisation du récepteur prototypique β2-adrénergique (β2AR), induite par les β-bloqueurs. En ne tenant compte que de leur efficacités sur le β2AR dans les voies de l'adénylate cyclase (AC) et des protéines kinases activées par les facteurs mitogéniques (MAPK), les β-bloqueurs peuvent être classés en 3 groupes distincts (agoniste inverse AC / agoniste MAPK, antagoniste neutre AC / agoniste MAPK et agoniste inverse AC / agoniste inverse MAPK). Afin de déterminer le lien entre leur efficacité et leur mode de liaison, nous avons réalisé des expériences d'arrimages moléculaires in silico entre des β-bloqueurs de chacun des groupes et la structure cristalline du β2AR liée au carazolol. De manière intéressante, les ligands à l'intérieur d'un groupe partagent un mode de liaison, alors que ceux des ligands entre les groupes divergent, suggérant que le mode de liaison des β-bloqueurs pourrait être utilisé pour prédire leur l'efficacité. En accord avec cette hypothèse, nous avons prédit et confirmé l'efficacité agoniste MAPK du carazolol, un inverse agoniste AC du β2AR se liant au récepteur de manière similaire au groupe inverse agoniste AC / agoniste MAPK. De manière intéressante, le groupement aryl des ligands agonistes inverses agonistes AC / agoniste MAPK, le seul groupement chimique variable de ce groupe, est prédite pour lier la région des 3e et 5e hélices transmembranaires (TM3 et TM5). Nous avons donc émis l'hypothèse que cette région pourrait être un déterminant de l'efficacité de ces ligands. En accord avec cette dernière, la mutation de 2 résidus (T118I, S203A) localisés proches du site de liaison des groupements aryls des β-bloqueurs, prévient l'efficacité agoniste inverse de l'ICI-118551 sur la voie de l'AC sans affecter l'efficacité d'un agoniste, indiquant que cette région est importante pour la transmission de l'effet agoniste inverse, du moins sur la voie de l'AC. Les βarrs sont des protéines d'échafaudage qui coordonnent la formation de complexes avec plusieurs dizaines d'effecteurs de signalisation. Originalement identifiées pour leur rôle dans la désensibilisation et l'internalisation des RCPGs, elles sont aussi d'importants effecteurs de la signalisation des RCPGs indépendante des protéines G hétérotrimériques. Cependant, contrairement aux protéines G hétérotrimériques, il n'existe que peu d'outils pour les étudier. Ainsi, la deuxième partie de la thèse est dédiée au développement d'outils pour l'étude des βarrs. À cette fin, nous avons d'abord tenté de transposer une méthode de mesure de l'interaction entre 2 protéines par la technologie de transfert d'énergie de bioluminescence par résonance (BRET) en microscopie et chez des souris transgéniques afin de mesurer de manière subcellulaire et dans un contexte natif l'engagement de la βarr à des RCPGs. Ainsi, nous avons établi les preuves de principe que le BRET peut être utilisé pour localiser l'interaction entre la βarr et le récepteur de la vasopressine de type 2 (V2R) sur une cellule au microscope et pour détecter l'interaction entre la βarr et le β2AR sur des tissus de souris transgéniques exprimant ces protéines fusionnées avec des partenaires BRET. Finalement, il n'existe aucun inhibiteur pharmacologique ciblant les βarrs. Ainsi, grâce à la combinaison d'approches de criblage virtuel sur un modèle de la structure des βarrs et d'essais de validation cellulaire, nous avons développé un inhibiteur pharmacologique des βarrs. À l'aide de cet outil, nous avons confirmé l'implication des βarrs dans l'activation des MAPK par le V2R, mais aussi montré un nouveau rôle des βarrs dans le recyclage du β2AR. Les connaissances et outils développés dans cette thèse permettront de mieux comprendre les déterminants moléculaires de la signalisation des RCPGs et entre autres, grâce à des nouvelles approches pour étudier le rôle cellulaire et physiologique des βarrs.

Mécanismes de régulation du trafic et de l’activité du récepteur GABAB

L’acide γ-aminobutyrique (GABA) est le principal neurotransmetteur inhibiteur du système nerveux central et est impliqué dans diverses pathologies incluant l’épilepsie, l’anxiété, la dépression et la dépendance aux drogues. Le GABA agit sur l’activité neuronale par l’activation de deux types de récepteurs; le canal chlorique pentamérique GABAA et l’hétérodimère obligatoire de récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) GABAB. Chacun des récepteurs est responsable de phases distinctes de la réponse cellulaire au GABA. Lors d’une stimulation par le GABA, il est essentiel pour la cellule de pouvoir contrôler le niveau d’activité des récepteurs et au besoin, de limiter leur activation par des mécanismes de désensibilisation et de régulation négative. La désensibilisation nécessite le découplage du récepteur de ses effecteurs, ainsi que sa compartimentation hors de la membrane plasmique dans le but de diminuer la réponse cellulaire à l’agoniste. Les mécanismes de contrôle de l’activité de GABAB semblent anormaux pour un RCPG et sont encore mal moléculairement caractérisés. L’objet de cette thèse est d’étudier la régulation du récepteur GABAB et de sa signalisation par la caractérisation de nouvelles protéines d’interactions étant impliquées dans la désensibilisation, l’internalisation et la dégradation du récepteur. Une première étude nous a permis d’identifier la protéine NSF (N-ethylmaleimide sensitive factor) comme interagissant avec le récepteur hétérodimérique. Nous avons caractérisé le site d’interaction au niveau du domaine coiled-coil de chacune des deux sous-unités de GABAB et constaté la dépendance de cette interaction au statut de l’activité ATPasique de NSF. Nous avons observé que cette interaction pouvait être dissociée par l’activation de GABAB, induisant la phosphorylation du récepteur par la protéine kinase C (PKC) parallèlement à la désensibilisation du récepteur. L’activation de PKC par le récepteur est dépendante de l’interaction NSF-GABAB, ce qui suggère une boucle de rétroaction entre NSF et PKC. Nous proposons donc un modèle où, à l’état basal, le récepteur interagit avec NSF, lui permettant d’activer PKC en réponse à la stimulation par un agoniste, et où cette activation permet à PKC de phosphoryler le récepteur, induisant sa dissociation de NSF et sa désensibilisation. Nous avons par la suite étudié la dégradation et l’ubiquitination constitutive de GABAB et la régulation de celles-ci par PKC et l’enzyme de déubiquitination USP14 (ubiquitin-specific protease 14). Au niveau basal, le récepteur est ubiquitiné, et présente une internalisation et une dégradation rapide. L’activation de PKC augmente l’ubiquitination à la surface cellulaire et l’internalisation, et accélère la dégradation du récepteur. USP14 est en mesure de déubiquitiner le récepteur suite à l’internalisation, mais accélère aussi la dégradation par un mécanisme indépendant de son activité enzymatique. Nos résultats suggèrent un mécanisme où l’ubiquitination promeut l’internalisation et où USP14 cible le récepteur ubiquitiné vers un processus de dégradation lysosomale. La troisième étude porte sur la régulation de la densité de récepteurs à la membrane plasmique par la protéine Grb2 (growth factor receptor-bound protein 2). Nous avons déterminé que Grb2 interagit avec GABAB1 au niveau de la séquence PEST (riche en proline, glutamate, sérine et thréonine) du domaine carboxyl-terminal, et que cette interaction module l’expression à la surface du récepteur hétérodimérique en diminuant l’internalisation constitutive par un mécanisme encore inconnu. Cette inhibition de l’internalisation pourrait provenir d’une compétition pour le site de liaison de Grb2 à GABAB1, ce site étant dans une région interagissant avec plusieurs protéines impliquées dans le trafic du récepteur, tels le complexe COPI et la sous-unité γ2S du récepteur GABAA (1, 2). En proposant de nouveaux mécanismes moléculaires contrôlant l’activité et l’expression à la membrane du récepteur GABAB par les protéines NSF, PKC, USP14 et Grb2, les études présentées dans cette thèse permettent de mieux comprendre les processus d’internalisation et de dégradation, ainsi que du contrôle de l’activité de GABAB par la désensibilisation, ouvrant la porte à une meilleure compréhension de la signalisation GABAergique.