Molecular genetic approaches to the biology of the moss "Physcomitrella patens"

La mousse haplobiontique Physcomitrella patens est utilisée comme système génétique modèle pour l'étude du développement des plantes. Cependant, l'absence d'un protocole efficace de transformation a constitué jusqu'à présent un gros désavantage méthodologique pour le développement futur de ce système expérimental. Les résultats présentés dans le premier chapitre relatent la mise au point d'un protocole de transformation basé sur la technique de transfert direct de gènes dans des protoplastes par précipitation au PEG. Un essai d'expression transitoire de gènes a été mis au point. Ce protocole a été adapté afin de permettre l'introduction in vivo d'anticorps dans des protoplastes. Le protocole modifié permet d'introduire simultanément du DNA et des IgG dans les cellules, et nous avons démontré que ces anticorps peuvent inactiver spécifiquement le produit d'un gène co-introduit (GUS), ainsi que certaines protéines impliquées dans des processus cellulaires (tubuline). Cet essai, baptisé "essai transitoire d'immuno-inactivation in vivo", devrait être directement applicable à d'autres protoplastes végétaux, et permettre l'élaboration de nouvelles stratégies dans l'étude de processus cellulaires. Le second chapitre est consacré aux expériences de transformation de la mousse avec des gènes conférant une résistance à des antibiotiques. Nos résultats démontrent que l'intégration de gènes de résistance dans le génome de P. patens est possible, mais que cet événement est rare. Il s'agit là néanmoins de la première démonstration d'une transformation génétique réussie de cet organisme. L'introduction de gènes de résistance aux antibiotiques dans les protoplastes de P. patens génère à haute fréquence des clones résistants instables. Deux classes de clones instables ont été identifiés. La caractérisation phénotypique, génétique et moléculaire de ces clones suggère fortement que les séquences transformantes sont concaténées pour former des structures de haut poids moléculaire, et que ces structures sont efficacement répliquées et maintenues dans les cellules résistantes en tant qu'éléments génétiques extrachromosomaux. Ce type de transformation nous permet d'envisager des expériences permettant l'identification des séquences génomiques impliquées dans la replication de l'ADN de mousse. Plusieurs lignées transgéniques ont été retransformées avec des plasmides portant des séquences homologues aux séquences intégrées dans le génome, mais conférant une résistance à un autre antibiotique. Les résultats présentés dans le troisième chapitre montrent que les fréquences de transformation intégrative dans les lignées transgéniques sont 10 fois plus élevées que dans la lignée sauvage, et que cette augmentation est associée à une coségrégation des gènes de résistance dans la plupart des clones testés. Ces résultats génétiques indiquent que l'intégration de séquences d'ADN étranger dans le génome de P. patens a lieu en moyenne 10 fois plus fréquemment par recombinaison homologue que par intégration aléatoire. Ce rapport homologue/aléatoire est 10000 fois supérieur aux rapports obtenus avec d'autres plantes, et fournit l'outil indispensable à la réalisation d'expériences de génétique inverse dans cet organisme à haplophase dominante. THESIS SUMMARY The moss Physcomitrella patens is used as a model genetic system to study plant development, taking advantage of the fact that the haploid gametophyte dominates in its life cycle. But further development of this model system was hampered by the lack of a protocol allowing the genetic transformation of this plant. We have developed a transformation protocol based on PEG-mediated direct gene transfer to protoplasts. Our data demonstrate that this procedure leads to the establishment of an efficient transient gene expression assay. A slightly modified protocol has been developed allowing the in vivo introduction of antibodies in moss protoplasts. Both DNA and IgGs can be loaded simultaneously, and specific antibodies can immunodeplete the product of an expression cassette (GUS) as well as proteins involved in cellular processes (tubulins). This assay, named transient in vivo immunodepletion assay, should be applicable to other plant protoplasts, and offers new approaches to study cellular processes. Transformations have been performed with bacterial plasmids carrying antibiotic resistance expression cassette. Our data demonstrate that integrative transformation occurs, but at low frequencies. This is the first demonstration of a successful genetic transformation of mosses. Resistant unstable colonies are recovered at high frequencies following transformation, and two different classes of unstable clones have been identified. Phenotypical, genetic and molecular characterisation of these clones strongly suggests that bacterial plasmids are concatenated to form high molecular arrays which are efficiently replicated and maintained as extrachromosomal elements in the resistant cells. Replicative transformation in P. patens should allow the design of experiments aimed at the identification of genomic sequences involved in moss DNA replication. Transgenic strains have been retransformed with bacterial plasmids carrying sequences homologous to the integrated transloci, but conferring resistance to another antibiotic. Our results demonstrate an order of magnitude increase of integrative transformation frequencies in transgenic strains as compared to wild-type, associated with cosegregation of the resistance genes in most of these double resistant transgenic strains. These observations provide strong genetic evidence that gene targeting occurs about ten times more often than random integration in the genome of P. patens. Such ratio of targeted to random integration is about 10 000 times higher than previous reports of gene targeting in plants, and provides the essential requirement for the development of efficient reverse genetics in the haplodiplobiontic P. patens.

Cheminformatic studies of molecular properties and their influence on bioactivity in the context of drug discovery

Molecular shape has long been known to be an important property for the process of molecular recognition. Previous studies postulated the existence of a drug-like shape space that could be used to artificially bias the composition of screening libraries, with the aim to increase the chance of success in Hit Identification. In this work, it was analysed to which extend this assumption holds true. Normalized Principal Moments of Inertia Ratios (NPRs) have been used to describe the molecular shape of small molecules. It was investigated, whether active molecules of diverse targets are located in preferred subspaces of the NPR shape space. Results illustrated a significantly stronger clustering than could be expected by chance, with parts of the space unlikely to be occupied by active compounds. Furthermore, a strong enrichment of elongated, rather flat shapes could be observed, while globular compounds were highly underrepresented. This was confirmed for a wide range of small molecule datasets from different origins. Active compounds exhibited a high overlap in their shape distributions across different targets, making a purely shape­ based discrimination very difficult. An additional perspective was provided by comparing the shapes of protein binding pockets with those of their respective ligands. Although more globular than their ligands, it was observed that binding sites shapes exhibited a similarly skewed distribution in shape space: spherical shapes were highly underrepresented. This was different for unoccupied binding pockets of smaller size. These were on the contrary identified to possess a more globular shape. The relation between shape complementarity and exhibited bioactivity was analysed; a moderate correlation between bioactivity and parameters including pocket coverage, distance in shape space, and others could be identified, which reflects the importance of shape complementarity. However, this also suggests that other aspects are of relevance for molecular recognition. A subsequent analysis assessed if and how shape and volume information retrieved from pocket or respective reference ligands could be used as a pre-filter in a virtual screening approach. ln Lead Optimization compounds need to get optimized with respect to a variety of pararneters. Here, the availability of past success stories is very valuable, as they can guide medicinal chemists during their analogue synthesis plans. However, although of tremendous interest for the public domain, so far only large corporations had the ability to mine historical knowledge in their proprietary databases. With the aim to provide such information, the SwissBioisostere database was developed and released during this thesis. This database contains information on 21,293,355 performed substructural exchanges, corresponding to 5,586,462 unique replacements that have been measured in 35,039 assays against 1,948 molecular targets representing 30 target classes, and on their impact on bioactivity . A user-friendly interface was developed that provides facile access to these data and is accessible at http//www.swissbioisostere.ch. The ChEMBL database was used as primary data source of bioactivity information. Matched molecular pairs have been identified in the extracted and cleaned data. Success-based scores were developed and integrated into the database to allow re-ranking of proposed replacements by their past outcomes. It was analysed to which degree these scores correlate with chemical similarity of the underlying fragments. An unexpectedly weak relationship was detected and further investigated. Use cases of this database were envisioned, and functionalities implemented accordingly: replacement outcomes are aggregatable at the assay level, and it was shawn that an aggregation at the target or target class level could also be performed, but should be accompanied by a careful case-by-case assessment. It was furthermore observed that replacement success depends on the activity of the starting compound A within a matched molecular pair A-B. With increasing potency the probability to lose bioactivity through any substructural exchange was significantly higher than in low affine binders. A potential existence of a publication bias could be refuted. Furthermore, often performed medicinal chemistry strategies for structure-activity-relationship exploration were analysed using the acquired data. Finally, data originating from pharmaceutical companies were compared with those reported in the literature. It could be seen that industrial medicinal chemistry can access replacement information not available in the public domain. In contrast, a large amount of often-performed replacements within companies could also be identified in literature data. Preferences for particular replacements differed between these two sources. The value of combining different endpoints in an evaluation of molecular replacements was investigated. The performed studies highlighted furthermore that there seem to exist no universal substructural replacement that always retains bioactivity irrespective of the biological environment. A generalization of bioisosteric replacements seems therefore not possible. - La forme tridimensionnelle des molécules a depuis longtemps été reconnue comme une propriété importante pour le processus de reconnaissance moléculaire. Des études antérieures ont postulé que les médicaments occupent préférentiellement un sous-ensemble de l'espace des formes des molécules. Ce sous-ensemble pourrait être utilisé pour biaiser la composition de chimiothèques à cribler, dans le but d'augmenter les chances d'identifier des Hits. L'analyse et la validation de cette assertion fait l'objet de cette première partie. Les Ratios de Moments Principaux d'Inertie Normalisés (RPN) ont été utilisés pour décrire la forme tridimensionnelle de petites molécules de type médicament. Il a été étudié si les molécules actives sur des cibles différentes se co-localisaient dans des sous-espaces privilégiés de l'espace des formes. Les résultats montrent des regroupements de molécules incompatibles avec une répartition aléatoire, avec certaines parties de l'espace peu susceptibles d'être occupées par des composés actifs. Par ailleurs, un fort enrichissement en formes allongées et plutôt plates a pu être observé, tandis que les composés globulaires étaient fortement sous-représentés. Cela a été confirmé pour un large ensemble de compilations de molécules d'origines différentes. Les distributions de forme des molécules actives sur des cibles différentes se recoupent largement, rendant une discrimination fondée uniquement sur la forme très difficile. Une perspective supplémentaire a été ajoutée par la comparaison des formes des ligands avec celles de leurs sites de liaison (poches) dans leurs protéines respectives. Bien que plus globulaires que leurs ligands, il a été observé que les formes des poches présentent une distribution dans l'espace des formes avec le même type d'asymétrie que celle observée pour les ligands: les formes sphériques sont fortement sous­ représentées. Un résultat différent a été obtenu pour les poches de plus petite taille et cristallisées sans ligand: elles possédaient une forme plus globulaire. La relation entre complémentarité de forme et bioactivité a été également analysée; une corrélation modérée entre bioactivité et des paramètres tels que remplissage de poche, distance dans l'espace des formes, ainsi que d'autres, a pu être identifiée. Ceci reflète l'importance de la complémentarité des formes, mais aussi l'implication d'autres facteurs. Une analyse ultérieure a évalué si et comment la forme et le volume d'une poche ou de ses ligands de référence pouvaient être utilisés comme un pré-filtre dans une approche de criblage virtuel. Durant l'optimisation d'un Lead, de nombreux paramètres doivent être optimisés simultanément. Dans ce contexte, la disponibilité d'exemples d'optimisations réussies est précieuse, car ils peuvent orienter les chimistes médicinaux dans leurs plans de synthèse par analogie. Cependant, bien que d'un extrême intérêt pour les chercheurs dans le domaine public, seules les grandes sociétés pharmaceutiques avaient jusqu'à présent la capacité d'exploiter de telles connaissances au sein de leurs bases de données internes. Dans le but de remédier à cette limitation, la base de données SwissBioisostere a été élaborée et publiée dans le domaine public au cours de cette thèse. Cette base de données contient des informations sur 21 293 355 échanges sous-structuraux observés, correspondant à 5 586 462 remplacements uniques mesurés dans 35 039 tests contre 1948 cibles représentant 30 familles, ainsi que sur leur impact sur la bioactivité. Une interface a été développée pour permettre un accès facile à ces données, accessible à http:/ /www.swissbioisostere.ch. La base de données ChEMBL a été utilisée comme source de données de bioactivité. Une version modifiée de l'algorithme de Hussain et Rea a été implémentée pour identifier les Matched Molecular Pairs (MMP) dans les données préparées au préalable. Des scores de succès ont été développés et intégrés dans la base de données pour permettre un reclassement des remplacements proposés selon leurs résultats précédemment observés. La corrélation entre ces scores et la similarité chimique des fragments correspondants a été étudiée. Une corrélation plus faible qu'attendue a été détectée et analysée. Différents cas d'utilisation de cette base de données ont été envisagés, et les fonctionnalités correspondantes implémentées: l'agrégation des résultats de remplacement est effectuée au niveau de chaque test, et il a été montré qu'elle pourrait également être effectuée au niveau de la cible ou de la classe de cible, sous réserve d'une analyse au cas par cas. Il a en outre été constaté que le succès d'un remplacement dépend de l'activité du composé A au sein d'une paire A-B. Il a été montré que la probabilité de perdre la bioactivité à la suite d'un remplacement moléculaire quelconque est plus importante au sein des molécules les plus actives que chez les molécules de plus faible activité. L'existence potentielle d'un biais lié au processus de publication par articles a pu être réfutée. En outre, les stratégies fréquentes de chimie médicinale pour l'exploration des relations structure-activité ont été analysées à l'aide des données acquises. Enfin, les données provenant des compagnies pharmaceutiques ont été comparées à celles reportées dans la littérature. Il a pu être constaté que les chimistes médicinaux dans l'industrie peuvent accéder à des remplacements qui ne sont pas disponibles dans le domaine public. Par contre, un grand nombre de remplacements fréquemment observés dans les données de l'industrie ont également pu être identifiés dans les données de la littérature. Les préférences pour certains remplacements particuliers diffèrent entre ces deux sources. L'intérêt d'évaluer les remplacements moléculaires simultanément selon plusieurs paramètres (bioactivité et stabilité métabolique par ex.) a aussi été étudié. Les études réalisées ont souligné qu'il semble n'exister aucun remplacement sous-structural universel qui conserve toujours la bioactivité quel que soit le contexte biologique. Une généralisation des remplacements bioisostériques ne semble donc pas possible.

Molecular genetics of ocular diseases

The eye is a complex organ, which provides one of our most important senses, sight. The retina is the neuronal component of the eye and represents the connection with the central nervous system for the transmission of the information that leads to image processing. Retinitis pigmentosa (RP) is one of the most common forms of inherited retinal degeneration, in which the primary death of rods, resulting in night blindness, is always followed by the loss of cones, which leads to legal blindness. Clinical and genetic heterogeneity in retinitis pigmentosa is not only due to different mutations in different genes, but also to different effects of the same mutation in different individuals, sometimes even within the same family. My thesis work has been mainly focused on an autosomal dominant form of RP linked to mutations in the PRPF31 gene, which often shows reduced penetrance. Our study has led to the identification of the major regulator of the penetrance of PRPF31 mutations, the CNOT3 protein, and to the characterization of its mechanism of action. Following the same rationale of investigating molecular mechanisms that are responsible for clinical and genetic heterogeneity of retinitis pigmentosa, we studied a recessive form of the disease associated with mutations in the recently-identified gene FAMI61 A, where mutations in the same gene give rise to variable clinical manifestations. Our data have increased the knowledge of the relationship between genotype and phenotype in this form of the disease. Whole genome sequencing technique was also tested as a strategy for disease gene identification in unrelated patients with recessive retinitis pigmentosa and proved to be effective in identifying disease-causing variants that might have otherwise failed to be detected with other screening methods. Finally, for the first time we reported a choroidal tumor among the clinical manifestations of PTEN hamartoma tumor syndrome, a genetic disorder caused by germline mutations of the tumor suppressor gene PTEN. Our study has highlighted the heterogeneity of this choroidal tumor, showing that genetic and/or epigenetic alterations in different genes may contribute to the tumor development and growth. - L'oeil est un organe complexe, à l'origine d'un de nos sens les plus importants, la vue. La rétine est la composante neuronale de l'oeil qui constitue la connexion avec le système nerveux central pour la transmission de l'information et qui conduit à la formation des images. La rétinite pigmentaire (RP) est une des formes les plus courantes de dégénérescence rétinienne héréditaire, dans laquelle la mort primaire de bâtonnets, entraînant la cécité nocturne, est toujours suivie par la perte de cônes qui conduit à la cécité complète. L'hétérogénéité clinique et génétique dans la rétinite pigmentaire n'est pas seulement due aux différentes mutations dans des gènes différents, mais aussi à des effets différents de la même mutation chez des individus différents, parfois même dans la même famille. Mon travail de thèse s'est principalement axé sur une forme autosomique dominante de RP liée à des mutations dans le gène PRPF31, associées souvent à une pénétrance réduite, me conduisant à l'identification et à la caractérisation du mécanisme d'action du régulateur principal de la pénétrance des mutations: la protéine CNOT3. Dans la même logique d'étude des mécanismes moléculaires responsables de l'hétérogénéité clinique et génétique de la RP, nous avons étudié une forme récessive de la maladie associée à des mutations dans le gène récemment identifié FAMI61 A, dont les mutations dans le même gène donnent lieu à des manifestations cliniques différentes. Nos données ont ainsi accru la connaissance de la relation entre le génotype et le phénotype dans cette forme de maladie. La technique de séquençage du génome entier a été ensuite testée en tant que stratégie pour l'identification du gène de la maladie chez les patients atteints de RP récessive. Cette approche a montré son efficacité dans l'identification de variantes pathologiques qui n'auraient pu être détectées avec d'autres méthodes de dépistage. Enfin, pour la première fois, nous avons identifié une tumeur choroïdienne parmi les manifestations cliniques du PTEN hamartoma tumor syndrome, une maladie génétique causée par des mutations germinales du gène suppresseur de tumeur PTEN. Notre étude a mis en évidence l'hétérogénéité de cette tumeur choroïdienne, montrant que les altérations génétiques et/ou épigénétiques dans les différents gènes peuvent contribuer au développement et à la croissance tumorale.

Molecular players shaping the arbuscular mycorrhizal symbiosis of rice

SUMMARY : The arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis is an evolutionarily ancient association between most land plants and Glomeromycotan fungi that is based on the mutual exchange of nutrients between the two partners. Its structural and physiological establishment is a multi-step process involving a tightly regulated signal exchange leading to intracellular colonization of roots by the fungi. Most research on the molecular biology and genetics of symbiosis development has been performed in dicotyledonous model legumes. In these, a plant signaling pathway, the common SYM pathway, has been found to be required for accommodation of both root symbionts rhizobia and AM fungi. Rice, a monocotyledon model and the world's most important staple crop also forms AM symbioses, has been largely ignored for studies of the AM symbiosis. Therefore in this PhD work functional conservation of the common SYM pathway in rice was addressed and demonstrated. Mycorrhiza-specific marker genes were established that are expressed at different stages of AM development and therefore represent readouts for various AM-specific signaling events. These tools were successfully used to obtain evidence for a yet unknown signaling network comprising common SYM-dependent and -independent events. In legumes AM colonization induces common SYM signaling dependent changes in root system architecture. It was demonstrated that also in rice, root system architecture changes in response to AM colonization but these alterations occur independently of common SYM signaling. The rice root system is complex and contains three different root types. It was shown that root type identity influences the quantity of AM colonization, indicating root type specific symbiotic properties. Interestingly, the root types differed in their transcriptional responses to AM colonization and the less colonized root type responded more dramatically than the more strongly colonized root type. Finally, in an independent project a novel mutant, inhospitable (iho), was discovered. It is perturbed at the most early step of AM colonization, namely differentiation of the AM fungal hyphae into a hyphopodium at the root surface. As plant factors required for this early step are not known, identification of the IHO gene will greatly contribute to the advance of mycorrhiza RÉSUMÉ : La symbiose mycorhizienne arbusculaire (AM) est une association évolutionnairement ancienne entre la majorité des plantes terrestres et les champignons du type Glomeromycota, basée sur l'échange mutuel d'éléments nutritifs entre les deux partenaires. Son établissement structural et physiologique est un processus en plusieurs étapes, impliquant des échanges de signaux étroitement contrôlés, aboutissant à la colonisation intracellulaire des racines par le champignon. La plupart des recherches sur la biologie moléculaire et la génétique du développement de la symbiose ont été effectuées sur des légumineuses dicotylédones modèles. Dans ces dernières, une voie de signalisation, la voie SYM, s'est avérée nécessaire pour permettre la mise en place de la symbiose mycorhizienne. Chez les plantes monocotylédones, comme le riz, une des céréales les plus importantes, nourrissant la moitié de la population mondiale, peu de recherches ont été effectuées sur les bases de la cette symbiose. Dans ce travail de thèse, la conservation fonctionnelle de la voie commune SYM chez le riz a été étudiée et démontrée. De plus, des gènes marqueurs spécifiques des différentes étapes du développement de l'AM ont été identifiés, permettant ainsi d'avoir des traceurs de la colonisation. Ces outils ont été utilisés avec succès pour démontrer l'existence d'un nouveau réseau de signalisation, comprenant des éléments SYM dépendant et indépendant. Chez les légumineuses, la colonisation par les AM induit des changements dans l'architecture du système racinaire, via la signalisation SYM dépendantes. Cependant chez le riz, il a été démontré que l'architecture de système racinaire changeait suite à la colonisation de l'AM, mais ceux, de façon SYM indépendante. Le système racinaire du riz est complexe et contient trois types différents de racines. Il a été démontré que le type de racine pouvait influencer l'efficacité de la colonisation par l'AM, indiquant que les racines ont des propriétés symbiotiques spécifiques différentes. De façon surprenante, les divers types de racines répondent de différemment suite à colonisation par l'AM avec des changements de la expression des gènes. Le type de racine le moins colonisé, répondant le plus fortement a la colonisation, et inversement. En parallèle, dans un projet indépendant, un nouveau mutant, inhospitable (iho), a été identifié. Ce mutant est perturbé lors de l'étape la plus précoce de la colonisation par l'AM, à savoir la différentiation des hyphes fongiques de l'AM en hyphopodium, à la surface des racines. Les facteurs d'origine végétale requis pour cette étape étant encore inconnus, l'identification du gène IHO contribuera considérablement a accroître nos connaissance sur les bases de la mise en place de cette symbiose.

Formation of a spatial memory trace : a behavioral, cellular and molecular study

THESIS ABSTRACTThis thesis project was aimed at studying the molecular mechanisms underlying learning and memory formation, in particular as they relate to the metabolic coupling between astrocytes and neurons. For that, changes in the metabolic activity of different mice brain regions after 1 or 9 days of training in an eight-arm radial maze were assessed by (14C) 2-deoxyglucose (2DG) autoradiography. Significant differences in the areas engaged during the behavioral task at day 1 (when animals are confronted for the first time to the learning task) and at day 9 (when animals are highly performing) have been identified. These areas include the hippocampus, the fornix, the parietal cortex, the laterodorsal thalamic nucleus and the mammillary bodies at day 1 ; and the anterior cingulate, the retrosplenial cortex and the dorsal striatum at day 9. Two of these cerebral regions (those presenting the greatest changes at day 1 and day 9: the hippocampus and the retrosplenial cortex, respectively) were microdissected by laser capture microscopy and selected genes related to neuron-glia metabolic coupling, glucose metabolism and synaptic plasticity were analyzed by RT-PCR. 2DG and gene expression analysis were performed at three different times: 1) immediately after the end of the behavioral paradigm, 2) 45 minutes and 3) 6 hours after training. The main goal of this study was the identification of the metabolic adaptations following the learning task. Gene expression results demonstrate that the learning task profoundly modulates the pattern of gene expression in time, meaning that these two cerebral regions with high 2DG signal (hippocampus and retrosplenial cortex) have adapted their metabolic molecular machinery in consequence. Almost all studied genes show a higher expression in the hippocampus at day 1 compared to day 9, while an increased expression was found in the retrosplenial cortex at day 9. We can observe these molecular adaptations with a short delay of 45 minutes after the end of the task. However, 6 hours after training a high gene expression was found at day 9 (compared to day 1) in both regions, suggesting that only one day of training is not sufficient to detect transcriptional modifications several hours after the task. Thus, gene expression data match 2DG results indicating a transfer of information in time (from day 1 to day 9) and in space (from the hippocampus to the retrosplenial cortex), and this at a cellular and a molecular level. Moreover, learning seems to modify the neuron-glia metabolic coupling, since several genes involved in this coupling are induced. These results also suggest a role of glia in neuronal plasticity.RESUME DU TRAVAIL DE THESECe projet de thèse a eu pour but l'étude des mécanismes moléculaires qui sont impliqués dans l'apprentissage et la mémoire et, en particulier, à les mettre en rapport avec le couplage métabolique existant entre les astrocytes et les neurones. Pour cela, des changements de l'activité métabolique dans différentes régions du cerveau des souris après 1 ou 9 jours d'entraînement dans un labyrinthe radial à huit-bras ont été évalués par autoradiographie au 2-désoxyglucose (2DG). Des différences significatives dans les régions engagées pendant la tâche comportementale au jour 1 (quand les animaux sont confrontés pour la première fois à la tâche) et au jour 9 (quand les animaux ont déjà appris) ont été identifiés. Ces régions incluent, au jour 1, l'hippocampe, le fornix, le cortex pariétal, le noyau thalamic laterodorsal et les corps mamillaires; et, au jour 9, le cingulaire antérieur, le cortex retrosplenial et le striatum dorsal. Deux de ces régions cérébrales (celles présentant les plus grands changements à jour 1 et à jour 9: l'hippocampe et le cortex retrosplenial, respectivement) ont été découpées par microdissection au laser et quelques gènes liés au couplage métabolique neurone-glie, au métabolisme du glucose et à la plasticité synaptique ont été analysées par RT-PCR. L'étude 2DG et l'analyse de l'expression de gènes ont été exécutés à trois temps différents: 1) juste après entraînement, 2) 45 minutes et 3) 6 heures après la fin de la tâche. L'objectif principal de cette étude était l'identification des adaptations métaboliques suivant la tâche d'apprentissage. Les résultats de l'expression de gènes démontrent que la tâche d'apprentissage module profondément le profile d'expression des gènes dans le temps, signifiant que ces deux régions cérébrales avec un signal 2DG élevé (l'hippocampe et le cortex retrosplenial) ont adapté leurs « machines moléculaires » en conséquence. Presque tous les gènes étudiés montrent une expression plus élevée dans l'hippocampe au jour 1 comparé au jour 9, alors qu'une expression accrue a été trouvée dans le cortex retrosplenial au jour 9. Nous pouvons observer ces adaptations moléculaires avec un retard court de 45 minutes après la fin de la tâche. Cependant, 6 heures après l'entraînement, une expression de gènes élevée a été trouvée au jour 9 (comparé à jour 1) dans les deux régions, suggérant que seulement un jour d'entraînement ne suffit pas pour détecter des modifications transcriptionelles plusieurs heures après la tâche. Ainsi, les données d'expression de gènes corroborent les résultats 2DG indiquant un transfert d'information dans le temps (de jour 1 à jour 9) et dans l'espace (de l'hippocampe au cortex retrosplenial), et ceci à un niveau cellulaire et moléculaire. D'ailleurs, la tâche d'apprentissage semble modifier le couplage métabolique neurone-glie, puisque de nombreux gènes impliqués dans ce couplage sont induits. Ces observations suggèrent un rôle important de la glie dans les mécanismes de plasticité du système nerveux.

Molecular epidemiology of methicillin-resistant Staphylococcus aureus in Switzerland: sampling only invasive isolates does not allow a representative description of the local diversity of clones.

We conducted a molecular study of MRSA isolated in Swiss hospitals, including the first five consecutive isolates recovered from blood cultures and the first ten isolates recovered from other sites in newly identified carriers. Among 73 MRSA isolates, 44 different double locus sequence typing (DLST) types and 32 spa types were observed. Most isolates belonged to the NewYork/Japan, the UK-EMRSA-15, the South German and the Berlin clones. In a country with a low to moderate MRSA incidence, inclusion of non-invasive isolates allowed a more accurate description of the diversity.

Static and dynamic structure of liquid metals: Role of the different parts of the interaction potential

The influence of different parts of the interaction potential on the microscopic behavior of simple liquid metals is investigated by molecular dynamics simulation. The role of the soft-core repulsive, short-range attractive, and long-range oscillatory forces on the properties of liquid lithium close to the triple point is analyzed by comparing the results from simulations of identical systems but truncating the potential at different distances. Special attention is paid to dynamic collective properties such as the dynamic structure factors, transverse current correlation functions, and transport coefficients. It is observed that, in general, the effects of the short-range attractive forces are important. On the contrary, the influence of the oscillatory long-range interactions is considerably less, being the most pronounced for the dynamic structure factor at long wavelengths. The results of this work suggest that the influence of the attractive forces becomes less significant when temperature and density increase.

Self and cross-velocity correlation functions and diffusion coefficients in liquids: a molecular dynamics study of binary mixtures of soft spheres

Molecular dynamics simulation is applied to the study of the diffusion properties in binary liquid mixtures made up of soft-sphere particles with different sizes and masses. Self- and distinct velocity correlation functions and related diffusion coefficients have been calculated. Special attention has been paid to the dynamic cross correlations which have been computed through recently introduced relative mean molecular velocity correlation functions which are independent on the reference frame. The differences between the distinct velocity correlations and diffusion coefficients in different reference frames (mass-fixed, number-fixed, and solvent-fixed) are discussed.

Velocity cross-correlations and atomic momentum transfer in simple liquids with different potential cores

Time correlation functions between the velocity of a tagged particle and velocities of particles within specified ranges of initial separations have been obtained by molecular dynamics simulation. These correlation functions have allowed us to analyze the momentum transfer between particles in different coordination shells. Two simple liquids at very different densities and two purely repulsive potentials with very different softnesses have been considered. The longitudinal correlations, which are the velocity cross-correlations along the initial direction defined by the centers of two given particles, have been calculated separately. It has been proven that these correlations should be attributed to particles both in front of and behind the central one. As with propagating longitudinal modes, they are strongly dependent on the softness of the potential core. Some characteristic features of the velocity correlation functions after the initial rise should be related to nonlongitudinal correlations. It has been shown that velocity cross-correlations between distinct particles cannot only be attributed to the direct interactions among particles, but also to the motions induced by the movement of a tagged particle on their neighbors.

Evolutionary dynamics of molecular markers during local adaptation: a case study in Drosophila subobscura

Background: Natural selection and genetic drift are major forces responsible for temporal genetic changes in populations. Furthermore, these evolutionary forces may interact with each other. Here we study the impact of an ongoing adaptive process at the molecular genetic level by analyzing the temporal genetic changes throughout 40 generations of adaptation to a common laboratory environment. Specifically, genetic variability, population differentiation and demographic structure were compared in two replicated groups of Drosophila subobscura populations recently sampled from different wild sources. Results: We found evidence for a decline in genetic variability through time, along with an increase in genetic differentiation between all populations studied. The observed decline in genetic variability was higher during the first 14 generations of laboratory adaptation. The two groups of replicated populations showed overall similarity in variability patterns. Our results also revealed changing demographic structure of the populations during laboratory evolution, with lower effective population sizes in the early phase of the adaptive process. One of the ten microsatellites analyzed showed a clearly distinct temporal pattern of allele frequency change, suggesting the occurrence of positive selection affecting the region around that particular locus. Conclusion: Genetic drift was responsible for most of the divergence and loss of variability between and within replicates, with most changes occurring during the first generations of laboratory adaptation. We also found evidence suggesting a selective sweep, despite the low number of molecular markers analyzed. Overall, there was a similarity of evolutionary dynamics at the molecular level in our laboratory populations, despite distinct genetic backgrounds and some differences in phenotypic evolution.

Different behaviour of mouse-human chimeric antibody F(ab')2 fragments of IgG1, IgG2 and IgG4 sub-class in vivo.

Mouse-human chimeric monoclonal antibodies (MAbs) of 3 different human IgG sub-classes directed against carcinoembryonic antigen (CEA) have been produced in SP-0 cells transfected with genomic chimeric DNA. F(ab')2 fragments were obtained by pepsin digestion of the purified chimeric MAbs of human IgG1, IgG2 and IgG4 sub-class and of parental mouse MAb IgG1. The 4 F(ab')2 fragments exhibit similar molecular weight by SDS-PAGE. They were labelled with 125I or 131I and high binding (80 to 87%) to purified unsolubilized CEA was observed. In vivo, double labelling experiments indicate that the longest biological half-life and the highest tumour-localization capacity is obtained with F(ab')2 from chimeric MAb of human IgG2 sub-class, whereas F(ab')2 from chimeric MAb IgG4 give very low values for these 2 parameters. F(ab')2 from chimeric MAb IgG1 and from parental mouse MAb yield intermediate results in vivo. Our findings should help to select the appropriate human IgG sub-class to produce chimeric or reshaped MAb F(ab')2 to be used for tumour detection by immunoscintigraphy and for radioimmunotherapy.

Molecular pathways: emerging pathways mediating growth, invasion, and metastasis of tumors progressing in an irradiated microenvironment.

Radiotherapy is a well-established therapeutic modality in oncology. It provides survival benefits in several different cancer types. However, cancers relapsing after radiotherapy often develop into more aggressive conditions that are difficult to treat and are associated with poor prognosis. Cumulative experimental evidence indicates that the irradiated tumor bed contributes to such aggressive behavior. The involved mechanisms have for long remained elusive. Recent progress in the field revealed previously unrecognized cellular and molecular events promoting growth, invasion, and metastasis of tumors progressing in an irradiated microenvironment. Cellular mechanisms include inhibition of sprouting angiogenesis, formation of hypoxia, activation and differentiation of stromal cells, and recruitment of bone marrow-derived cells with vasculogenic and prometastatic activities. Identified pathways include TGF-β/ALK5, CXCL12/CXCR4, KITL/KIT, and CYR61/αVβ5 integrin. The availability of pharmacologic inhibitors impinging on these pathways opens novel opportunities for translational and clinical studies. These experimental results and ongoing work highlight the importance of the irradiated microenvironment in modulating the tumor response to radiotherapy and open new opportunities for the development of novel therapeutic strategies for patients with cancer who relapse after radiotherapy. Here, we review and discuss recent advances in the field and their translational and therapeutic implications to human cancer treatment.

Inhibition of glutathione efflux in the perfused rat liver and isolated hepatocytes by organic anions and bilirubin. Kinetics, sidedness, and molecular forms.

Using isolated, in situ, single-pass perfused rat livers, incubations of freshly isolated hepatocytes, and sinusoidal membrane-enriched vesicles, we and others have shown the saturability of transport (efflux) of hepatic glutathione (GSH). These observations have implicated a carrier mechanism. Our present studies were designed to provide further evidence in support of a carrier mechanism for hepatic GSH efflux by demonstrating competition by liver-specific ligands which are taken up by hepatocytes. Perfusing livers with different substances, we found that: (a) sulfobromophthalein-GSH (BSP-GSH) had a dose-dependent and fully reversible inhibitory effect on GSH efflux, while GSH alone did not have any effect; (b) taurocholate had no inhibitory effect; (c) all of the organic anions studied, i.e., BSP, rose bengal, indocyanine green, and unconjugated bilirubin (UCB), manifested potent, dose-dependent inhibitory effects, with absence of toxic effects and complete reversibility of inhibition in the case of UCB. The inhibitory effects of UCB could be overcome partially by raising (CoCl2-induced) hepatic GSH concentration. Because of the physiological importance of UCB, we conducted a detailed study of its inhibitory kinetics in the isolated hepatocyte model in the range of circulating concentrations of UCB. Studies with Cl- -free media, to inhibit the uptake of UCB by hepatocytes, showed that the inhibition of GSH efflux by UCB is apparently from inside the cell. This point was confirmed by showing that the inhibition is overcome only when bilirubin-loaded cells are cleared of bilirubin (incubation with 5% bovine serum albumin). Using Gunn rat hepatocytes and purified bilirubin mono- and diglucuronides, we found that both UCB and glucuronide forms of bilirubin inhibit GSH efflux in a dose-dependent manner. We conclude that the organic anions, although taken up by a mechanism independent of GSH, may competitively inhibit the carrier for GSH efflux from inside the hepatocyte.

Integrative molecular bioinformatics study of human adrenocortical tumors : microRNA, tissue-specific target prediction, and pathway analysis.

MicroRNAs (miRs) are involved in the pathogenesis of several neoplasms; however, there are no data on their expression patterns and possible roles in adrenocortical tumors. Our objective was to study adrenocortical tumors by an integrative bioinformatics analysis involving miR and transcriptomics profiling, pathway analysis, and a novel, tissue-specific miR target prediction approach. Thirty-six tissue samples including normal adrenocortical tissues, benign adenomas, and adrenocortical carcinomas (ACC) were studied by simultaneous miR and mRNA profiling. A novel data-processing software was used to identify all predicted miR-mRNA interactions retrieved from PicTar, TargetScan, and miRBase. Tissue-specific target prediction was achieved by filtering out mRNAs with undetectable expression and searching for mRNA targets with inverse expression alterations as their regulatory miRs. Target sets and significant microarray data were subjected to Ingenuity Pathway Analysis. Six miRs with significantly different expression were found. miR-184 and miR-503 showed significantly higher, whereas miR-511 and miR-214 showed significantly lower expression in ACCs than in other groups. Expression of miR-210 was significantly lower in cortisol-secreting adenomas than in ACCs. By calculating the difference between dCT(miR-511) and dCT(miR-503) (delta cycle threshold), ACCs could be distinguished from benign adenomas with high sensitivity and specificity. Pathway analysis revealed the possible involvement of G2/M checkpoint damage in ACC pathogenesis. To our knowledge, this is the first report describing miR expression patterns and pathway analysis in sporadic adrenocortical tumors. miR biomarkers may be helpful for the diagnosis of adrenocortical malignancy. This tissue-specific target prediction approach may be used in other tumors too.

Biophysical characterization of two different stable misfolded monomeric polypeptides that are chaperone-amenable substrates.

Misfolded polypeptide monomers may be regarded as the initial species of many protein aggregation pathways, which could accordingly serve as primary targets for molecular chaperones. It is therefore of paramount importance to study the cellular mechanisms that can prevent misfolded monomers from entering the toxic aggregation pathway and moreover rehabilitate them into active proteins. Here, we produced two stable misfolded monomers of luciferase and rhodanese, which we found to be differently processed by the Hsp70 chaperone machinery and whose conformational properties were investigated by biophysical approaches. In spite of their monomeric nature, they displayed enhanced thioflavin T fluorescence, non-native β-sheets, and tertiary structures with surface-accessible hydrophobic patches, but differed in their conformational stability and aggregation propensity. Interestingly, minor structural differences between the two misfolded species could account for their markedly different behavior in chaperone-mediated unfolding/refolding assays. Indeed, only a single DnaK molecule was sufficient to unfold by direct clamping a misfolded luciferase monomer, while, by contrast, several DnaK molecules were necessary to unfold the more resistant misfolded rhodanese monomer by a combination of direct clamping and cooperative entropic pulling.