Transgenic barley expressing a protein-engineered, thermostable (1,3-1,4)-beta-glucanase during germination.

The codon usage of a hybrid bacterial gene encoding a thermostable (1,3-1,4)-beta-glucanase was modified to match that of the barley (1,3-1,4)-beta-glucanase isoenzyme EII gene. Both the modified and unmodified bacterial genes were fused to a DNA segment encoding the barley high-pI alpha-amylase signal peptide downstream of the barley (1,3-1,4)-beta-glucanase isoenzyme EII gene promoter. When introduced into barley aleurone protoplasts, the bacterial gene with adapted codon usage directed synthesis of heat stable (1,3-1,4)-beta-glucanase, whereas activity of the heterologous enzyme was not detectable when protoplasts were transfected with the unmodified gene. In a different expression plasmid, the codon modified bacterial gene was cloned downstream of the barley high-pI alpha-amylase gene promoter and signal peptide coding region. This expression cassette was introduced into immature barley embryos together with plasmids carrying the bar and the uidA genes. Green, fertile plants were regenerated and approximately 75% of grains harvested from primary transformants synthesized thermostable (1,3-1,4)-beta-glucanase during germination. All three trans genes were detected in 17 progenies from a homozygous T1 plant.

The in vitro ejection of zinc from human immunodeficiency virus (HIV) type 1 nucleocapsid protein by disulfide benzamides with cellular anti-HIV activity.

Several disulfide benzamides have been shown to possess wide-spectrum antiretroviral activity in cell culture at low micromolar to submicromolar concentrations, inhibiting human immunodeficiency virus (HIV) type 1 (HIV-1) clinical and drug-resistant strains along with HIV-2 and simian immunodeficiency virus [Rice, W. G., Supko, J. G., Malspeis, L., Buckheit, R. W., Jr., Clanton, D., Bu, M., Graham, L., Schaeffer, C. A., Turpin, J. A., Domagala, J., Gogliotti, R., Bader, J. P., Halliday, S. M., Coren, L., Sowder, R. C., II, Arthur, L. O. & Henderson, L. E. (1995) Science 270, 1194-1197]. Rice and coworkers have proposed that the compounds act by "attacking" the two zinc fingers of HIV nucleocapsid protein. Shown here is evidence that low micromolar concentrations of the anti-HIV disulfide benzamides eject zinc from HIV nucleocapsid protein (NCp7) in vitro, as monitored by the zinc-specific fluorescent probe N-(6-methoxy-8-quinoyl)-p-toluenesulfonamide (TSQ). Structurally similar disulfide benzamides that do not inhibit HIV-1 in culture do not eject zinc, nor do analogs of the antiviral compounds with the disulfide replaced with a methylene sulfide. The kinetics of NCp7 zinc ejection by disulfide benzamides were found to be nonsaturable and biexponential, with the rate of ejection from the C-terminal zinc finger 7-fold faster than that from the N-terminal. The antiviral compounds were found to inhibit the zinc-dependent binding of NCp7 to HIV psi RNA, as studied by gel-shift assays, and the data correlated well with the zinc ejection data. Anti-HIV disulfide benzamides specifically eject NCp7 zinc and abolish the protein's ability to bind psi RNA in vitro, providing evidence for a possible antiretroviral mechanism of action of these compounds. Congeners of this class are under advanced preclinical evaluation as a potential chemotherapy for acquired immunodeficiency syndrome.

Double-stranded-RNA-dependent protein kinase and TAR RNA-binding protein form homo- and heterodimers in vivo.

The yeast two-hybrid system and far-Western protein blot analysis were used to demonstrate dimerization of human double-stranded RNA (dsRNA)-dependent protein kinase (PKR) in vivo and in vitro. A catalytically inactive mutant of PKR with a single amino acid substitution (K296R) was found to dimerize in vivo, and a mutant with a deletion of the catalytic domain of PKR retained the ability to dimerize. In contrast, deletion of the two dsRNA-binding motifs in the N-terminal regulatory domain of PKR abolished dimerization. In vitro dimerization of the dsRNA-binding domain required the presence of dsRNA. These results suggest that the binding of dsRNA by PKR is necessary for dimerization. The mammalian dsRNA-binding protein TRBP, originally identified on the basis of its ability to bind the transactivation region (TAR) of human immunodeficiency virus RNA, also dimerized with itself and with PKR in the yeast assay. Taken together, these results suggest that complexes consisting of different combinations of dsRNA-binding proteins may exist in vivo. Such complexes could mediate differential effects on gene expression and control of cell growth.

Sensitivity to abscisic acid of guard-cell K+ channels is suppressed by abi1-1, a mutant Arabidopsis gene encoding a putative protein phosphatase.

Abscisic acid (ABA) modulates the activities of three major classes of ion channels--inward- and outward-rectifying K+ channels (IK,in and IK,out, respectively) and anion channels--at the guard-cell plasma membrane to achieve a net efflux of osmotica and stomatal closure. Disruption of ABA sensitivity in wilty abi1-1 mutants of Arabidopsis and evidence that this gene encodes a protein phosphatase suggest that protein (de)-phosphorylation contributes to guard-cell transport control by ABA. To pinpoint the role of ABI1, the abi1-1 dominant mutant allele was stably transformed into Nicotiana benthamiana and its influence on IK,in, IK,out, and the anion channels was monitored in guard cells under voltage clamp. Compared with guard cells from wild-type and vector-transformed control plants, expression of the abi1-1 gene was associated with 2- to 6-fold reductions in IK,out and an insensitivity of both IK,in and IK,out to 20 microM ABA. In contrast, no differences between control and abi1-1 transgenic plants were observed in the anion current or its response to ABA. Parallel measurements of intracellular pH (pHi) using the fluorescent dye 2',7'-bis(2-carboxyethyl)-5-(and -6)-carboxyfluorescein (BCECF) in every case showed a 0.15- to 0.2-pH-unit alkalinization in ABA, demonstrating that the transgene was without effect on the pHi signal that mediates in ABA-evoked K+ channel control. In guard cells from the abi1-1 transformants, normal sensitivity of both K+ channels to and stomatal closure in ABA was recovered in the presence of 100 microM H7 and 0.5 microM staurosporine, both broad-range protein kinase antagonists. These results demonstrate an aberrant K+ channel behavior--including channel insensitivity to ABA-dependent alkalinization of pHi--as a major consequence of abi1-1 action and implicate AB11 as part of a phosphatase/kinase pathway that modulates the sensitivity of guard-cell K+ channels to ABA-evoked signal cascades.

Expression of an Arabidopsis cryptochrome gene in transgenic tobacco results in hypersensitivity to blue, UV-A, and green light.

The Arabidopsis HY4 gene, required for blue-light-induced inhibition of hypocotyl elongation, encodes a 75-kDa flavoprotein (CRY1) with characteristics of a blue-light photoreceptor. To investigate the mechanism by which this photoreceptor mediates blue-light responses in vivo, we have expressed the Arabidopsis HY4 gene in transgenic tobacco. The transgenic plants exhibited a short-hypocotyl phenotype under blue, UV-A, and green light, whereas they showed no difference from the wild-type plant under red/far-red light or in the dark. This phenotype was found to cosegregate with overexpression of the HY4 transgene and to be fluence dependent. We concluded that the short-hypocotyl phenotype of transgenic tobacco plants was due to hypersensitivity to blue, UV-A, and green light, resulting from over-expression of the photoreceptor. These observations are consistent with the broad action spectrum for responses mediated by this cryptochrome in Arabidopsis and indicate that the machinery for signal, transduction required by the CRY1 protein is conserved among different plant species. Furthermore, the level of these photoresponses is seen to be determined by the cellular concentration of this photoreceptor.

Accelerated evolution in the protein-coding regions is universal in crotalinae snake venom gland phospholipase A2 isozyme genes.

The nucleotide sequences of four genes encoding Trimeresurus gramineus (green habu snake, crotalinae) venom gland phospholipase A2 (PLA2; phosphatidylcholine 2-acylhydrolase, EC 3.1.1.4) isozymes were compared internally and externally with those of six genes encoding Trimeresurus flavoviridis (habu snake, crotalinae) venom gland PLA2 isozymes. The numbers of nucleotide substitutions per site (KN) for the noncoding regions including introns were one-third to one-eighth of the numbers of nucleotide substitutions per synonymous site (KS) for the protein-coding regions of exons, indicating that the noncoding regions are much more conserved than the protein-coding regions. The KN values for the introns were found to be nearly equivalent to those of introns of T. gramineus and T. flavoviridis TATA box-binding protein genes, which are assumed to be a general (nonvenomous) gene. Thus, it is evident that the introns of venom gland PLA2 isozyme genes have evolved at a similar rate to those of nonvenomous genes. The numbers of nucleotide substitutions per nonsynonymous site (KA) were close to or larger than the KS values for the protein-coding regions in venom gland PLA2 isozyme genes. All of the data combined reveal that Darwinian-type accelerated evolution has universally occurred only in the protein-coding regions of crotalinae snake venom PLA2 isozyme genes.

Studying Coxiella burnetii Type IV Substrates in the Yeast Saccharomyces cerevisiae: Focus on Subcellular Localization and Protein Aggregation.

Coxiella burnetii is a Gram-negative obligate parasitic bacterium that causes the disease Q-fever in humans. To establish its intracellular niche, it utilizes the Icm/Dot type IVB secretion system (T4BSS) to inject protein effectors into the host cell cytoplasm. The host targets of most cognate and candidate T4BSS-translocated effectors remain obscure. We used the yeast Saccharomyces cerevisiae as a model to express and study six C. burnetii effectors, namely AnkA, AnkB, AnkF, CBU0077, CaeA and CaeB, in search for clues about their role in C. burnetii virulence. When ectopically expressed in HeLa cells, these effectors displayed distinct subcellular localizations. Accordingly, GFP fusions of these proteins produced in yeast also decorated distinct compartments, and most of them altered cell growth. CaeA was ubiquitinated both in yeast and mammalian cells and, in S. cerevisiae, accumulated at juxtanuclear quality-control compartments (JUNQs) and insoluble protein deposits (IPODs), characteristic of aggregative or misfolded proteins. AnkA, which was not ubiquitinated, accumulated exclusively at the IPOD. CaeA, but not AnkA or the other effectors, caused oxidative damage in yeast. We discuss that CaeA and AnkA behavior in yeast may rather reflect misfolding than recognition of conserved targets in the heterologous system. In contrast, CBU0077 accumulated at vacuolar membranes and abnormal ER extensions, suggesting that it interferes with vesicular traffic, whereas AnkB associated with the yeast nucleolus. Both effectors shared common localization features in HeLa and yeast cells. Our results support the idea that C. burnetii T4BSS effectors manipulate multiple host cell targets, which can be conserved in higher and lower eukaryotic cells. However, the behavior of CaeA and AnkA prompt us to conclude that heterologous protein aggregation and proteostatic stress can be a limitation to be considered when using the yeast model to assess the function of bacterial effectors.

Evaluating Spirulina as a protein source in Nile Tilapia (Oreochromis niloticus) grow-out diets

Aquaculture growth has intensified the need for a diversification of nutritionally appropriate aquafeed ingredients. The purpose of this study was to evaluate Spirulina, a blue-green microalgae, and soybean meal as the sole protein sources in grow-out Tilapia diets. We constructed 3 experimental diets with soybean meal and 0,15, 30, and 45% Spirulina (SBM, SP15, SP30, and SP45 respectively) as their main protein sources. We compared these diets to a commercial Tilapia diet (CC). Additionally, to evaluate the benefit of fishmeal inclusion, fishmeal was added (2 and 10%) to the most successful Spirulina containing diet (FM2, FM10). We evaluated these experimental diets based on their physical properties, palatability, growth potential, waste production, and overall cost. No significant differences in growth performance were found between any of the diets. Total ammonia nitrogen (TAN) and total phosphorus (TP) levels in each tank were significantly affected by diet (p<0.05). CC had significantly higher TP than the experimental diets and SP15 had significantly higher TAN than the other diets. Only CC was found to be significantly more palatable than the experimental diets, and Spirulina inclusion was inversely correlated to pellet stability. Lastly, SP15 was the most profitable experimental diet. We recommend eliminating fishmeal from grow-out Tilapia diets in favour of soybean meal and Spirulina. Spirulina should, however, be limited to 15% to avoid the negative effects it has on stability and profitability, and its possible effect on feed intake.

L'implication de la Cycline B dans le processus de cytocinèse

Un dérèglement du cycle cellulaire peut causer le cancer. Lors de la cytocinèse un anneau contractile d’actine et de myosine se forme, se contracte, et donne un anneau du midbody qui mène à l’abscision. Le processus de cytocinèse est sous le contrôle de protéines telles que la GTPase Rho qui active la cytocinèse et les cyclines-Cdks qui l'inhibent. La Drosophile possède 3 cyclines mitotiques CycA/ CycB/ CycB3 qui sont successivement dégradées en fin de mitose et permettent l'initiation de la cytocinèse. La dernière étape d’abscission est un phénomène qui reste encore peu connu. Les protéines Vps4 et CHMP4C liées à ANCHR vont, sous la dépendance de la kinase Aurora B, promouvoir l’abscision mais, suite à quelques études récentes, il semble y avoir une implication de la cycline B. Ici, le but était de tester l’implication de cette cycline dans les processus de cytocinèse et d’abscision, elle a été menée par microscopie à haute résolution en temps réel avec des cellules S2 de l’organisme Drosophila melanogaster par le suivi de protéines recombinantes fluorescentes. L’étude a été divisée en deux axes : gain et perte de fonction par l’intermédiaire respectivement de la protéine Cycline B recombinante stable, non dégradable (CycBstable-GFP) et l’inhibition par l’utilisation d’ARN double brin (ARNdb) sur l’endogène. La CycBstable-GFP a perturbé la cytocinèse en induisant plusieurs anneaux contractiles et midbodies. En revanche la réduction de l’expression de CycB n'a pas eu d’effet observable, et elle ne semble pas avoir d’action sur l’abscission malgré le recrutement de CycB-GFP au midbody tardif. En revanche la protéine Cdk1 semble avoir un rôle dans l'abscision puisque sa réduction d’expression a induit un délai. Elle a donc une implication potentielle sur la cytocinèse.

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

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

Analysis of Protein Turnover by Quantitative SNAP-Based Pulse-Chase Imaging

Assessment of protein dynamics in living cells is crucial for understanding their biological properties and functions. The SNAP-tag, a self labeling suicide enzyme, presents a tool with unique features that can be adopted for determining protein dynamics in living cells. Here we present detailed protocols for the use of SNAP in fluorescent pulse-chase and quench-chase-pulse experiments. These time-slicing methods provide powerful tools to assay and quantify the fate and turnover rate of proteins of different ages. We cover advantages and pitfalls of SNAP-tagging in fixed- and live-cell studies and evaluate the recently developed fast-acting SNAPf variant. In addition, to facilitate the analysis of protein turnover datasets, we present an automated algorithm for spot recognition and quantification.

Neoplastic Transformation of T Lymphocytes through Transgenic Expression of a Virus Host Modification Protein

Virus host evasion genes are ready-made tools for gene manipulation and therapy. In this work we have assessed the impact in vivo of the evasion gene A238L of the African Swine Fever Virus, a gene which inhibits transcription mediated by both NF-κB and NFAT. The A238L gene has been selectively expressed in mouse T lymphocytes using tissue specific promoter, enhancer and locus control region sequences for CD2. The resulting two independently derived transgenic mice expressed the transgene and developed a metastasic, angiogenic and transplantable CD4(+)CD8(+)CD69(-) lymphoma. The CD4(+)CD8(+)CD69(-) cells also grew vigorously in vitro. The absence of CD69 from the tumour cells suggests that they were derived from T cells at a stage prior to positive selection. In contrast, transgenic mice similarly expressing a mutant A238L, solely inhibiting transcription mediated by NF-κB, were indistinguishable from wild type mice. Expression of Rag1, Rag2, TCRβ-V8.2, CD25, FoxP3, Bcl3, Bcl2 l14, Myc, IL-2, NFAT1 and Itk, by purified CD4(+)CD8(+)CD69(-) thymocytes from A238L transgenic mice was consistent with the phenotype. Similarly evaluated expression profiles of CD4(+)CD8(+) CD69(-) thymocytes from the mutant A238L transgenic mice were comparable to those of wild type mice. These features, together with the demonstration of (mono-)oligoclonality, suggest a transgene-NFAT-dependent transformation yielding a lymphoma with a phenotype reminiscent of some acute lymphoblastic lymphomas.

Non-Viral Gene Therapy to Cells of the bovine Intervertebral Disc

Background. Low back pain is an increasing global health problem, which is associated with intervertebral disc (IVD) damage and degeneration. Major changes occur in the nucleus pulposus (NP), with the degradation of the extracellular matrix (ECM).1 Further studies showed that growth factors from transforming growth factor β (TGFβ) and bone morphogenic proteins (BMP) family may induce chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSC).2 Focusing on non-viral gene therapies and their possible translation into the clinics, we investigated if GDF6 (syn. BMP13 or CDMP2) can induce regeneration of degraded NP. We hypothesized that IVD transfected with plasmid over-expressing GDF6 also up-regulates other NP- and chondrogenic cell markers and enhances ECM deposition. Methods. Bovine nucleus pulposus (bNPC) and annulus fibrosus cells (bAFC) were harvested from bovine coccygeal IVD. Primary cells were then electroporized with plasmid GDF6 (Origene, vector RG211366) by optimizing parameters using the Neon Transfection system (Life Technologies, Basel). After transfection, cells were cultured in 2D monolayer or 3D alginate beads for 7, 14 or 21 days. Transfection efficiency of pGDF6 was analyzed by immunohistochemistry and fluorescent microscopy. Cell phenotype was quantified by real-time RT-PCR. To test a non-viral gene therapy applied directly to 3D whole organ culture, coccygeal bovine IVDs were harvested as previously described. Bovine IVDs were transfected by injection of plasmid GDF6 into the center. Electroporation was performed with ECM830 Square Wave Electroporation System (Harvard Apparatus, MA) using 2-needle array electrode or tweezertrodes. 72 h after tranfection discs were fixed and cryosectioned and analyzed by immunofluorescence against GDF6. Results. RT-PCR and immunohistochemistry confirmed up-regulation of GFP and GDF6 in the primary bNPC/bAFC culture. The GFP-tagged GDF6 protein, however, was not visible, possibly due to failure of dimer formation as a result of fusion structure. Organ IVD culture transfection revealed GDF6 positive staining in the center of the disc using 2-needle array electrode. Results from tweezertrodes did not show any GDF6 positive cells. Conclusion. Non-viral transfection is an appealing approach for gene therapy as it fulfills the translational safety aspects of transiency and lacks the toxic effects of viral transduction. We identified novel parameters to successfully transfect primary bovine IVD cells. For transfection of whole IVD explants electroporation parameters need to be further optimized. Acknowledgements. This project was funded by the Lindenhof Foundation (Funds “Research & Teaching”) Project no. 13-02-F. The imaging part of this study was performed with the facility of the Microscopy Imaging Center (MIC), University of Bern. References. Roughly PJ (2004): Spine (Phila), 29:2691-2699 Clarke LE, McConell JC, Sherratt MJ, Derby B, Richardson SM, Hoyland JA (2014), Arthritis Research & Therapy, 16:R67

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

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

Function and Regulation of Cytochrome P450 4V2 and the Implications in Bietti’s Crystalline Dystrophy

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