Phototropism: at the crossroads of light-signaling pathways.

Phototropism enables plants to orient growth towards the direction of light and thereby maximizes photosynthesis in low-light environments. In angiosperms, blue-light photoreceptors called phototropins are primarily involved in sensing the direction of light. Phytochromes and cryptochromes (sensing red/far-red and blue light, respectively) also modulate asymmetric hypocotyl growth, leading to phototropism. Interactions between different light-signaling pathways regulating phototropism occur in cryptogams and angiosperms. In this review, we focus on the molecular mechanisms underlying the co-action between photosensory systems in the regulation of hypocotyl phototropism in Arabidopsis thaliana. Recent studies have shown that phytochromes and cryptochromes enhance phototropism by controlling the expression of important regulators of phototropin signaling. In addition, phytochromes may also regulate growth towards light via direct interaction with the phototropins.

Sensitive gene expression profiling of human T cell subsets reveals parallel post-thymic differentiation for CD4+ and CD8+ lineages.

The differentiation of CD4(+) or CD8(+) T cells following priming of naive cells is central in the establishment of the immune response against pathogens or tumors. However, our understanding of this complex process and the significance of the multiple subsets of differentiation remains controversial. Gene expression profiling has opened new directions of investigation in immunobiology. Nonetheless, the need for substantial amount of biological material often limits its application range. In this study, we have developed procedures to perform microarray analysis on amplified cDNA from low numbers of cells, including primary T lymphocytes, and applied this technology to the study of CD4 and CD8 lineage differentiation. Gene expression profiling was performed on samples of 1000 cells from 10 different subpopulations, defining the major stages of post-thymic CD4(+) or CD8(+) T cell differentiation. Surprisingly, our data revealed that while CD4(+) and CD8(+) T cell gene expression programs diverge at early stages of differentiation, they become increasingly similar as cells reach a late differentiation stage. This suggests that functional heterogeneity between Ag experienced CD4(+) and CD8(+) T cells is more likely to be located early during post-thymic differentiation, and that late stages of differentiation may represent a common end in the development of T-lymphocytes.

Selective resonance suppression 1H-[13C] NMR spectroscopy with asymmetric adiabatic RF pulses.

Despite obvious improvements in spectral resolution at high magnetic field, the detection of 13C labeling by 1H-[13C] NMR spectroscopy remains hampered by spectral overlap, such as in the spectral region of 1H resonances bound to C3 of glutamate (Glu) and glutamine (Gln), and C6 of N-acetylaspartate (NAA). The aim of this study was to develop, implement, and apply a novel 1H-[13C] NMR spectroscopic editing scheme, dubbed "selective Resonance suppression by Adiabatic Carbon Editing and Decoupling single-voxel STimulated Echo Acquisition Mode" (RACED-STEAM). The sequence is based on the application of two asymmetric narrow-transition-band adiabatic RF inversion pulses at the resonance frequency of the 13C coupled to the protons that need to be suppressed during the mixing time (TM) period, alternating the inversion band downfield and upfield from the 13C resonance on odd and even scans, respectively, thus suppressing the detection of 1H resonances bound to 13C within the transition band of the inversion pulse. The results demonstrate the efficient suppression of 1H resonances bound to C3 of Glu and Gln, and C4 of Glu, which allows the 1H resonances bound to C6 of NAA and C4 of Gln to be revealed. The measured time course of the resolved labeling into NAA C6 with the new scheme was consistent with the slow turnover of NAA.

Evolutionary insights on C4 photosynthetic subtypes in grasses from genomics and phylogenetics

In plants, an oligogene family encodes NADP-malic enzymes (NADP-me), which are responsible for various functions and exhibit different kinetics and expression patterns. In particular, a chloroplast isoform of NADP-me plays a key role in one of the three biochemical subtypes of C4 photosynthesis, an adaptation to warm environments that evolved several times independently during angiosperm diversification. By combining genomic and phylogenetic approaches, this study aimed at identifying the molecular mechanisms linked to the recurrent evolutions of C4-specific NADP-me in grasses (Poaceae). Genes encoding NADP-me (nadpme) were retrieved from genomes of model grasses and isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Genomic and phylogenetic analyses showed that 1) the grass nadpme gene family is composed of four main lineages, one of which is expressed in plastids (nadpme-IV), 2) C4-specific NADP-me evolved at least five times independently from nadpme-IV, and 3) some codons driven by positive selection underwent parallel changes during the multiple C4 origins. The C4 NADP-me being expressed in chloroplasts probably constrained its recurrent evolutions from the only plastid nadpme lineage and this common starting point limited the number of evolutionary paths toward a C4 optimized enzyme, resulting in genetic convergence. In light of the history of nadpme genes, an evolutionary scenario of the C4 phenotype using NADP-me is discussed.

Estudi del procés de neurodegeneració

Les anomenades malalties neurodegeneratives tenen una simptomatologia i unes manifestacions clíniques molt diferents entre elles. No obstant, totes elles convergeixen en el mateix procés final, la neurodegeneració, que es manifestarà en diferents localitzacions o tipus cel·lulars del sistema nerviós. Nosaltres, plantegem la hipòtesi de que els processos moleculars i cel·lulars subjacents a la neurodegeneració són comuns per totes elles. Després de dur a terme un procés de selecció, es decideix treballar amb la malaltia de Parkinson, la d’Alzheimer, l’Esclerosi lateral amiotròfica i l’esclerosi múltiple. Hem pogut determinar que hi ha set processos moleculars o cel·lulars que estan associats al procés de neurodegeneració i que són comuns a totes elles. Havent-les estudiat per separat s’observa que el procés de neurodegeneració consisteix en una fallada en cadena de diferents sistemes moleculars i cel·lulars que tenen com a punt d’origen l’estrès oxidatiu. A aquest estrès s’hi pot arribar de diferents maneres. Una d’elles és l’exposició excessiva a certs metalls, que provoca la pèrdua dels sistemes antioxidants cel·lulars. Degut a això, els mitocondris reben un impacte oxidatiu massa gran i comencen a fallar. El fet que aquest orgànul actuï com a tampó del calci intracel·lular en provoca la seva desregulació, alterant d’aquesta manera el senyal nerviós. En resposta a l’estrès oxidatiu i tèrmic que genera la disfunció mitocondrial, s’activen les Proteïnes de Xoc Tèrmic (HSP) que actuant de citocines i presentadores d’antígens, inicien la resposta immunològica contra les cèl·lules danyades. Paral·lelament, s’observa un increment de la permeabilitat de la barrera hematoencefàlica degut a la pèrdua de les adhesions cel·lulars estretes per l’alta presència d’espècies reactives. Com a conseqüència de l’afebliment o el trencament de la barrera hematoencefàlica, es pot produir una entrada al SNC de diferents substàncies neurotòxiques i de cèl·lules del sistema immunitàri que, en condicions normals tenen l’accés restringit. Juntament amb aquestes cèl·lules immunològiques, també s’activen les cèl·lules del sistema immunitari innat residents al cervell, la micròglia, i totes elles secreten citocines proinflamatòries que contribueixen al procés de neurodegeneració. Nosaltres presentem els mecanismes pels quals aquesta inflamació, lluny d’atenuar-se, es cronifica per l’acció de certs bucles de retroalimentació positiva. Les diferents peculiaritats de cada malaltia contribueixen en aquest procés de diferents maneres, com és el cas dels pèptids β-amilides en la malaltia d’Alzheimer, l’α-sinucleina en el Parkinson, la superòxid dismutasa (SOD) en l’esclerosi lateral amiotròfica, o l’infiltració de leucòcits al cervell degut a la resposta autoimmune de l’esclerosi múltiple.Deixant de banda aquestes diferències, si el procés és comú entre totes elles, l’estudi a fons d’aquest procés hauria de poder permetre identificar dianes tarapèutiques que siguin comunes per les quatre malalties.

Roles of astrocytic sodium dynamics in the neurometabolic coupling : a study by cellular imaging

RESUME LARGE PUBLIC Le système nerveux central est principalement composé de deux types de cellules :les neurones et les cellules gliales. Ces dernières, bien que l'emportant en nombre sur les neurones, ont longtemps été considérées comme des cellules sans intérêts par les neuroscientifiques. Hors, les connaissances modernes à leurs sujets indiquent qu'elles participent à la plupart des tâches physiologiques du cerveau. Plus particulièrement, elles prennent part aux processus énergétiques cérébraux. Ceux-ci, en plus d'être vitaux, sont particulièrement intrigants puisque le cerveau représente seulement 2 % de la masse corporelle mais consomme environ 25 % du glucose (substrat énergétique) corporel. Les astrocytes, un type de cellules gliales, jouent un rôle primordial dans cette formidable utilisation de glucose par le cerveau. En effet, l'activité neuronale (transmission de l'influx nerveux) est accompagnée d'une augmentation de la capture de glucose, issu de la circulation sanguine, par les astrocytes. Ce phénomène est appelé le «couplage neurométabolique » entre neurones et astrocytes. L'ion sodium fait partie des mécanismes cellulaires entrant en fonction lors de ces processus. Ainsi, dans le cadre de cette thèse, les aspects dynamiques de la régulation du sodium astrocytaire et leurs implications dans le couplage neurométabolique ont été étudiés par des techniques d'imagerie cellulaires. Ces études ont démontré que les mitochondries, machineries cellulaires convertissant l'énergie contenue dans le glucose, participent à la régulation du sodium astrocytaire. De plus, ce travail de thèse a permis de découvrir que les astrocytes sont capables de se transmettre, sous forme de vagues de sodium se propageant de cellules en cellules, un message donnant l'ordre d'accroître leur consommation d'énergie. Cette voie de signalisation leur permettrait de fournir de l'énergie aux neurones suite à leur activation. RESUME Le glutamate libéré dans la fente synaptique pendant l'activité neuronale, est éliminé par les astrocytes environnants. Le glutamate est co-transporté avec des ions sodiques, induisant une augmentation intracellulaire de sodium (Na+i) dans les astrocytes. Cette élévation de Na+i déclenche une cascade de mécanismes moléculaires qui aboutissent à la production de substrats énergétiques pouvant être utilisés par les neurones. Durant cette thèse, la mesure simultanée du sodium mitochondrial (Na+mit) et cytosolique par des techniques d'imagerie utilisant des sondes fluorescentes spécifiques, a indiqué que les variations de Na+i induites par le transport du glutamate sont transmises aux mitochondries. De plus, les voies d'entrée et de sortie du sodium mitochondrial ont été identifiées. L'échangeur de Na+ et de Ca2+ mitochondrial semble jouer un rôle primordial dans l'influx de Na+mit, alors que l'efflux de Na+mit est pris en charge par l'échangeur de Na+ et de H+ mitochondrial. L'étude du Na+mit a nécessité l'utilisation d'un système de photoactivation. Les sources de lumière ultraviolette (UV) classiques utilisées à cet effet (lasers, lampes à flash) ayant plusieurs désavantages, une alternative efficace et peu coûteuse a été développée. Il s'agit d'un système compact utilisant une diode électroluminescente (LED) à haute puissance et de longueur d'onde de 365nm. En plus de leurs rôles dans le couplage neurométabolique, les astrocytes participent à la signalisation multicellulaire en transmettant des vagues intercellulaires de calcium. Ce travail de thèse démontre également que des vagues intercellulaires de sodium peuvent être évoquées en parallèle à ces vagues calciques. Le glutamate, suite à sa libération par un mécanisme dépendent du calcium, est réabsorbé par les transporteurs au glutamate. Ce mécanisme a pour conséquence la génération de vagues sodiques se propageant de cellules en cellules. De plus, ces vagues sodiques sont corrélées spatialement avec une consommation accrue de glucose par les astrocytes. En conclusion, ce travail de thèse a permis de montrer que le signal sodique astrocytaire, déclenché en réponse au glutamate, se propage à la fois de façon intracellulaire aux mitochondries et de façon intercellulaire. Ces résultats suggèrent que les astrocytes fonctionnent comme un réseau de cellules nécessaire au couplage énergétique concerté entre neurones et astrocytes et que le sodium est un élément clé dans les mécanismes de signalisations cellulaires sous-jacents. SUMMARY Glutamate, released in the synaptic cleft during neuronal activity, is removed by surrounding astrocytes. Glutamate is taken-up with Na+ ions by specific transporters, inducing an intracellular Na+ (Na+i) elevation in astrocytes which triggers a cascade of molecular mechanisms that provides metabolic substrates to neurons. Thus, astrocytic Na+i homeostasis represents a key component of the so-called neurometabolic coupling. In this context, the first part of this thesis work was aimed at investigating whether cytosolic Na+ changes are transmitted to mitochondria, which could therefore influence their function and contribute to the overall intracellular Na+ regulation. Simultaneous monitoring of both mitochondrial Na+ (Na+mit) and cytosolic Na+ changes with fluorescent dyes revealed that glutamate-evoked cytosolic Na+ elevations are indeed transmitted to mitochondria. The mitochondrial Na+/Ca2+ exchangers have a prominent role in the regulation of Na+mit influx pathway, and Na+mit extrusion appears to be mediated by Na+/H+ exchangers. To demonstrate the implication of Na+/Ca2+ exchangers, this study has required the technical development of an UV-flash photolysis system. Because light sources for flash photolysis have to be powerful and in the near UV range, the use of UV lasers or flash lamps is usually required. As an alternative to these UV sources that have several drawbaks, we developped a compact, efficient and lowcost flash photolysis system which employs a high power 365nm light emitting diode. In addition to their role in neurometabolic coupling, astrocytes participate in multicellular signaling by transmitting intercellular Ca2+ waves. The third part of this thesis show that intercellular Na+ waves can be evoked in parallel to Ca2+ waves. Glutamate released by a Ca2+ wave-dependent mechanism is taken up by glutamate transporters, resulting in a regenerative propagation of cytosolic Na+ increases. Na+ waves in turn lead to a spatially correlated increase in glucose uptake. In conclusion, the present thesis demonstrates that glutamate-induced Na+ changes occurring in the cytosol of astrocytes propagate to both the mitochondrial matrix and the astrocytic network. These results furthermore support the view that astrocytic Na+ is a signal coupled to the brain energy metabolism.

Self-organization mechanisms for the formation on nearshore crescentic and transverse sand bars

The formation and development of transverse and crescentic sand bars in the coastal marine environment has been investigated by means of a nonlinear numerical model based on the shallow-water equations and on a simpli ed sediment transport parameterization. By assuming normally approaching waves and a saturated surf zone, rhythmic patterns develop from a planar slope where random perturbations of small amplitude have been superimposed. Two types of bedforms appear: one is a crescentic bar pattern centred around the breakpoint and the other, herein modelled for the rst time, is a transverse bar pattern. The feedback mechanism related to the formation and development of the patterns can be explained by coupling the water and sediment conservation equations. Basically, the waves stir up the sediment and keep it in suspension with a certain cross-shore distribution of depth-averaged concentration. Then, a current flowing with (against) the gradient of sediment concentration produces erosion (deposition). It is shown that inside the surf zone, these currents may occur due to the wave refraction and to the redistribution of wave breaking produced by the growing bedforms. Numerical simulations have been performed in order to understand the sensitivity of the pattern formation to the parameterization and to relate the hydro-morphodynamic input conditions to which of the patterns develops. It is suggested that crescentic bar growth would be favoured by high-energy conditions and ne sediment while transverse bars would grow for milder waves and coarser sediment. In intermediate conditions mixed patterns may occur.

Beta-lactam resistance mechanisms of methicillin-resistant Staphylococcus aureus.

In vitro and in vivo activity of amoxicillin and penicillin G alone or combined with a penicillinase inhibitor (clavulanate) were tested against five isogenic pairs of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) producing or not producing penicillinase. Loss of the penicillinase plasmid caused an eight times or greater reduction in the MICs of amoxicillin and penicillin G (from greater than or equal to 64 to 8 micrograms/ml), but not of the penicillinase-resistant drugs methicillin and cloxacillin (greater than or equal to 64 micrograms/ml). This difference in antibacterial effectiveness correlated with a more than 10 times greater penicillin-binding protein 2a affinity of amoxicillin and penicillin G than of methicillin and a greater than or equal to 90% successful amoxicillin treatment of experimental endocarditis due to penicillinase-negative MRSA compared with cloxacillin, which was totally ineffective (P less than .001). Amoxicillin was also effective against penicillinase-producing parent MRSA, provided it was combined with clavulanate. Penicillinase-sensitive beta-lactam antibiotics plus penicillinase inhibitors might offer a rational alternative treatment for MRSA infections.

Pathophysiological mechanisms of catecholamine and cocaine-mediated cardiotoxicity.

Overactivation of the sympatho-adrenergic system is an essential mechanism providing short-term adaptation to the stressful conditions of critical illnesses. In the same way, the administration of exogenous catecholamines is mandatory to support the failing circulation in acutely ill patients. In contrast to these short-term benefits, prolonged adrenergic stress is detrimental to the cardiovascular system by initiating a series of adverse effects triggering significant cardiotoxicity, whose pathophysiological mechanisms are complex and only partially elucidated. In addition to the development of myocardial oxygen supply/demand imbalance induced by the sustained activation of adrenergic receptors, catecholamines can damage cardiomyocytes by fostering mitochondrial dysfunction, via two main mechanisms. The first one is calcium overload, consecutive to β-adrenergic receptor-mediated activation of protein kinase A and subsequent phosphorylation of multiple Ca(2+)-cycling proteins. The second one is oxidative stress, primarily related to the transformation of catecholamines into "aminochromes," which undergo redox cycling in mitochondria to generate copious amounts of oxygen-derived free radicals. In turn, calcium overload and oxidative stress promote mitochondrial permeability transition and cardiomyocyte cell death, both via the apoptotic and necrotic pathways. Comparable mechanisms of myocardial toxicity, including marked oxidative stress and mitochondrial dysfunction, have been reported with the use of cocaine, a common recreational drug with potent sympathomimetic activity. The aim of the current review is to present in detail the pathophysiological processes underlying the development of catecholamine and cocaine-induced cardiomyopathy, as such conditions may be frequently encountered in the clinical practice of cardiologists and ICU specialists.

Conformity, upstream reciprocity and social diversity: secondary mechanisms for the evolution of cooperation

Cooperation is ubiquitous in nature: genes cooperate in genomes, cells in muti- cellular organims, and individuals in societies. In humans, division of labor and trade are key elements of most known societies, where social life is regulated by- moral systems specifying rights and duties often enforced by third party punish¬ment. Over the last decades, several primary mechanisms, such as kin selection, direct and indirect reciprocity, have been advanced to explain the evolution of cooperation from a naturalistic approach. In this thesis, I focus on the study of three secondary mechanisms which, although insufficient to allow for the evo¬lution of cooperation, have been hypothesized to further promote it when they are linked to proper primary mechanisms: conformity (the tendency to imitate common behaviors), upstream reciprocity (the tendency to help somebody once help has been received from somebody else) and social diversity (heterogeneous social contexts). I make use of mathematical and computational models in the formal framework of evolutionary game theory in order to investigate the theoret¬ical conditions under which conformity, upstream reciprocity and social diversity are able to raise the levels of cooperation attained in evolving populations. - La coopération est ubiquitaire dans la nature: les gènes coopèrent dans les génomes, les cellules dans les organismes muticellulaires, et les organismes dans les sociétés. Chez les humains, la division du travail et le commerce sont des éléments centraux de la plupart des sociétés connues, où la vie sociale est régie par des systèmes moraux établissant des droits et des devoirs, souvent renforcés par la punition. Au cours des dernières décennies, plusieurs mécanismes pri¬maires, tels que la sélection de parentèle et les réciprocités directe et indirecte, ont été avancés pour expliquer l'évolution de la coopération d'un point de vue nat¬uraliste. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude de trois mécanismes secondaires qui, bien qu'insuffisants pour permettre l'évolution de la coopération, sont capables de la promouvoir davantage s'ils sont liés aux mécanismes primaires appropriés: la conformité (tendance à imiter des comportements en commun), la 'réciprocité en amont' (tendance à aider quelqu'un après avoir reçu l'aide de quelqu'un d'autre) et la diversité sociale (contextes sociaux hétérogènes). Nous faisons usage de modèles mathématiques et informatiques dans le cadre formel de la théorie des jeux évolutionnaires afin d'examiner les conditions théoriques dans lesquelles la conformité, la 'réciprocité en amont' et la diversité sociale sont capables d'élever le niveau de coopération des populations en évolution.

MOLECULAR MECHANISMS OF A ROOT SYSTEM TO SOIL ADAPTATION

Contrairement aux animaux, les plantes sont des organismes sessiles qui ne possèdent pas de mécanismes de fuite quand les conditions environnementales ne sont plus optimales. Les plantes sont physiquement ancrées à l'endroit où elles ont germées et aux conditions environnementales qui parfois peuvent être extrêmes. Les possibilités d'acclimatation de différentes espèces, parfois même de groupes de plantes au sein d'une même espèce, peuvent varier mais repose sur une adaptation génétique de la plante. L'adaptation est un long processus qui repose sur l'apparition spontanée de mutations génétiques, leur mise à l'épreuve face aux conditions environnementales, et dans le cas où la mutation a un impact positif sur la survie dans cet habitat particulier, elle sera maintenue dans une population donnée de plantes. De telles populations, appelées écotypes, sont le matériel de départ pour la découverte de gènes qui induisent un bénéfice pour la plante dans un environnement donné. La plante la plus étudiée en biologie moléculaire est Arabidopsis thaliana, l'arabette des prés. Dans une étude précédente, les racines d'écotypes naturels d'Arabidopsis ont été comparées et un écotype, Uk-1, avait le système racinaire le plus particulier. Cet écotype possède des racines beaucoup plus courtes et plus ramifiées que tous les autres écotypes. Des analyses plus poussées ont montré qu'une seule mutation dans un gène était la cause de ce phénotype, le gène BREVIS RADIX (BRX), mot latin signifiant 'racine courte'. Bien que l'on connaisse le gène BRX, on connaît finalement peu de choses sur son importance adaptative. Dans cette étude, nous avons montré que la mutation dans le gène BRX rend la plante plus résistante aux sols acides. Dans l'optique de mieux comprendre cette valeur adaptative du mutant brx, nous avons analysé dans quels tissus le gène BRX jouait un rôle important. Nous avons pu mettre en évidence que BRX est important pour le développement du protophloème. Le protophloème est un élément du système vasculaire de la plante. En général, les plantes supérieures possèdent deux systèmes de transport à longue distance. L'un d'eux, appelé xylème, transporte l'eau et les nutriments absorbés du sol par les racines vers les feuilles. Les feuilles sont le siège du processus de photosynthèse au cours duquel sont produits des sucres qui devront être distribués partout dans les autres parties de la plante. Le tissu cellulaire chargé de livrer les produits de la photosynthèse, ainsi que les régulateurs de croissance, est le phloème. Ce dernier regroupe le métaphloème et le protophloème. Le protophloème est essentiel pour la livraison des sucres synthétisés ainsi que des signaux de croissance aux pointes des racines, centres organogéniques responsables de la production de nouvelles cellules durant la phase de croissance de la racine. La structure du protophloème peut être décrite comme des tubes continus, vides et résistants, faits de cellules spécialisées qui permettent un transport efficace et rapide. Nous avons montré que dans les mutants brx ces canaux de transports sont discontinus car certaines cellules n'ont pas terminé leur cycle de différenciation. Ces cellules obstruent le conduit ce qui fait que les sucres et les signaux de croissance, comme l'auxine, ne peuvent plus être transportés aux méristèmes. En conséquence, la prolifération de l'activité des méristèmes est compromise, ce qui explique les racines courtes. Au lieu d'être délivré aux méristèmes, l'auxine se concentre en amont des méristèmes où cela provoque l'apparition de nouvelles racines branchées et, très probablement, l'activation des pompes à protons. Sur des sols acides, la concentration en ion H+ est très élevée. Ces ions entrent dans les cellules de la racine par diffusion et perturbent notablement la croissance des racines et de la plante en général. Si les cellules de la racine possédaient des pompes à protons hyperactives, elles seraient capable d'évacuer le surplus d'ions H+ en dehors de la cellule, ce qui leur assurerait de meilleures chances de survie sur sols acides. De fait, le mutant brx est capable d'acidifier le milieu de culture dans lequel il est cultivé plus efficacement que la plante sauvage. Ce mutant est également capable de donner plus de progéniture sur ce type de milieu de croissance que les plantes sauvages. Finalement, nous avons trouvé d'autres mutants brx en milieu naturel poussant sur sols acides, ce qui suggère fortement que la mutation du gène BRX est une des causes de l'adaptation aux sols acides. -- Plants as sessile organisms have developed different mechanisms to cope with the complex environmental conditions in which they live. Adaptation is the process through which traits evolve by natural selection to functionally improve in a given environmental context. An adaptation to the environment is characterized by the genetic changes in the entire populations that have been fixed by natural selection over many generations. BREVIS RADIX (BRX) gene was found through natural Arabidopsis accessions screen and was characterized as a root growth regulator since loss-of-function mutants exhibit arrested post-embryonic primary root growth in addition to a more branched root system. Although brx loss-of-function causes a complete alteration in root architecture, BRX activity is only required in the root vasculature, in particular in protophloem cell file. Protophloem is a part of the phloem transport network and is responsible for delivery of photo-assimilates and growth regulators, coming from the shoot through mature phloem component - metaphloem, to the all plant primary meristems. In order to perform its function, protophloem is the first cell file to differentiate within the root meristem. During this process, protophloem cells undergo a partial programmed cell death, during which they build a thicker cell wall, degrade nucleus and tonoplast while plasma membrane stays functional. Interestingly, protophloem cells enter elongation process only after differentiation into sieve elements is completed. Here we show that brx mutants fail to differentiate protophloem cell file properly, a phenotype that can be distinguished by a presence of a "gap" cells, non-differentiated cells between two flanking differentiated cells. Discontinuity of protophloem differentiation in brx mutants is considered to be a consequence of local hyperactivity of CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3) signaling module. Interestingly, a CLE45 activity, most probably at the level of receptor binding, can be modulated by apoplastic pH. Altogether, our results imply that the activity of proton pumps, expressed in non-differentiated cells of protophloem, must be maintained under certain threshold, otherwise CLE45-BAM3 signaling pathway will be stimulated and in turn protophloem will not differentiate. Based on vacuolar morphology, a premature cell wall acidification in brx mutants stochastically prevents the protophloem differentiation. Only after protophloem differentiates, proton pumps can be activated in order to acidify apoplast and to support enucleated protophloem multifold elongation driven by surrounding cells growth. Finally, the protophloem differentiation failure would result in an auxin "traffic jam" in the upper parts of the root, created from the phloem-transported auxin that cannot be efficiently delivered to the meristem. Physiologically, auxin "leakage" from the plant vasculature network could have various consequences, since auxin is involved in the regulation of almost every aspect of plant growth and development. Thus, given that auxin stimulates lateral roots initiation and growth, this scenario explains more branched brx root system. Nevertheless, auxin is considered to activate plasma membrane proton pumps. Along with this, it has been shown that brx mutants acidify media much more than the wild type plants do, a trait that was proposed as an adaptive feature of naturally occurring brx null alleles in Arabidopsis populations found on acidic soils. Additionally, in our study we found that most of accessions originally collected from acidic sampling sites exhibit hypersensitivity to CLE45 treatment. This implies that adaptation of plants to acidic soil involves a positive selection pressure against upstream negative regulators of CLE45-BAM3 signaling, such as BRX. Perspective analysis of these accessions would provide more profound understanding of molecular mechanisms underlying plant adaptation to acidic soils. All these results are suggesting that targeting of the factors that affect protophloem differentiation is a good strategy of natural selection to change the root architecture and to develop an adaptation to a certain environment. -- Les plantes comme organismes sessiles ont développé différents mécanismes pour s'adapter aux conditions environnementales complexes dans lesquelles elles vivent. L'adaptation est le processus par lequel des traits vont évoluer via la sélection naturelle vers une amélioration fonctionnelle dans un contexte environnemental donné. Une adaptation à l'environnement est caractérisée par des changements génétiques dans des populations entières qui ont été fixés par la sélection naturelle sur plusieurs générations. Le gène BREVIS RADIX (BRX) a été identifié dans le crible d'une collection d'accessions naturelles d'Arabidopsis et a été caractérisé comme un régulateur de la croissance racinaire étant donné que le mutant perte-de-fonction montre une croissance racinaire primaire arrêtée au stade post-embryonnaire et présente de plus un système racinaire plus ramifié que la plante sauvage. Bien que le mutant perte-de-fonction brx cause une altération complète de l'architecture racinaire, l'activité de BRX n'est requise que dans la vascularisation racinaire, en particulier au niveau du protophloème. Le protophloème est un composant du réseau de transport du phloème et est responsable du transit des dérivés de la photosynthèse ainsi que des régulateurs de croissances, venant de la partie aérienne par le phloème mature (métaphloème) vers tous les méristèmes primaires de la plante. Pour pouvoir réaliser sa fonction, le protophloème est la première file de cellules à se différencier à l'intérieur du méristème de la racine. Pendant ce processus, les cellules du protophloème subissent une mort cellulaire programmée partielle durant laquelle elles épaississent leur paroi cellulaire, dégradent le noyau et le tonoplaste tandis que la membrane plasmique demeure fonctionnelle. De manière intéressante, les cellules du protophloème entament le processus d'allongement seulement après que la différenciation en tubes criblés soit complète. Ce travail montre que le mutant brx est incapable de mener à bien la différenciation de la file de cellules du protophloème, phénotype qui peut être visualisé par la présence de cellules 'trous', de cellules non différenciées entourées de deux cellules différenciées. La discontinuité de la différenciation du phloème dans le mutant brx est considérée comme la conséquence de l'hyperactivité localisée du module de signalisation CLA VA TA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3). De manière intéressante, l'activité de CLE45, très probablement au niveau de la liaison avec le récepteur, peut être modulé par le pH apoplastique. Pris ensemble, nos résultats impliquent que l'activité des pompes à protons, actives dans les cellules non différenciées du protophloème, doit être maintenue en dessous d'un certain seuil autrement la cascade de signalisation CLE45-BAM3 serait stimulée, en conséquence de quoi le protophloème ne pourrait se différencier. D'après la morphologie vacuolaire, une acidification prématurée de la paroi cellulaire dans le mutant brx empêche la différenciation du protophloème de manière stochastique. Une fois que le protophloème se différencie, les pompes à protons peuvent alors être activées afin d'acidifier l'apoplaste et ainsi faciliter l'allongement des cellules énuclées du protophloème, entraînées par la croissance des cellules environnantes. Finalement, la différenciation défectueuse du protophloème produit une accumulation d'auxine dans la partie supérieure de la racine car le phloème ne peut plus acheminer efficacement l'auxine au méristème. Physiologiquement, la 'fuite' d'auxine à partir du réseau vasculaire de la plante peut avoir des conséquences variées puisque l'auxine est impliquée dans la régulation de la majorité des aspects de la croissance et développement de la plante. Etant donné que l'auxine stimule l'initiation et développement des racines latérales, ce scénario pourrait expliquer le système racinaire plus ramifié du mutant brx. En plus, l'auxine est considérée comme un activateur des pompes à protons. Par ailleurs, nous avons montré que les mutants brx ont la capacité d'acidifier le milieu plus efficacement que les plantes sauvages, une caractéristique des populations sauvages <¥Arabidopsis poussant sur des sols acides et contenant les allèles délétés brx. De plus, dans nos résultats nous avons mis en évidence que la plupart des accessions collectées originellement sur des sites acidophiles montre une hypersensibilité au traitement par CLE45. Ceci implique que l'adaptation des plantes aux sols acides repose sur la pression de sélection positive à rencontre des régulateurs négatifs de CLE45- BAM3, situés en amont de la cascade, tel le produit du gène BRX. Les analyses de ces accessions pourraient aboutir à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires responsables de l'adaptation des plantes aux sols acides. Tous nos résultats suggèrent que le ciblage des facteurs affectant la différenciation du protophloème serait une stratégie gagnante dans la sélection naturelle pour changer l'architecture de la racine et ainsi s'adapter efficacement à un nouvel environnement.

Role of glutathione deficit in the disconnectivity syndrome in schizophrenia: from pathogenetic mechanisms to therapeutic interventions

In the cerebrospinal fluid of 26 drug-naive schizophrenics (DSM-III- R), we observed that the level of glutathione ([GSH]) and of its metabolite γ-Glu-Gln was decreased by 27% and 16% respectively. Using a new in-vivo method based on magnetic resonance spec- troscopy, [GSH] was measured in the medial prefrontal cortex of 18 schizophrenics and found to be 52 % lower than in controls (n = 20). This is consistent with the recently observed decreased mRNA levels in fibroblasts of patients (n=32) of the two GSH synthesizing en- zymes (glutathione synthetase (GSS), and glutamate-cysteine ligase M (GCLM) the modulatory subunit of glutamate-cysteine ligase). Moreover, the level of GCLM expression in fibroblasts correlates neg- atively with the psychopathology (positive, general and some nega- tive symptoms). Thus, the observed difference in gene expression is not only the cause of low brain [GSH], but is also related to the sever- ity of symptoms, suggesting that fibroblasts are adequate surrogate for brain tissue. A hypothesis was proposed, based on a central role of GSH in the pathophysiology of schizophrenia. GSH is an important endogenous redox regulator and neuroactive substance. GSH is pro- tecting cells from damage by reactive oxygen species generated, among others, by the metabolism of dopamine. A GSH deficit-in- duced oxidative stress would lead to lipid peroxidation and micro-le- sions in the surrounding of catecholamine terminals, affecting the synaptic contacts on dendritic spines of cortical neurones, where ex- citatory glutamatergic terminals converge with dopaminergic ones. This would lead to spines degeneration and abnormal nervous con- nections or structural disconnectivity, possibly responsible for posi- tive, perceptive and cognitive symptoms of schizophrenia. In addi- tion, a GSH deficit could also lead to a functional disconnectivity by depressing NMDA neurotransmission, in analogy to phencyclidine effects. Present experimental biochemical, cell biological and behav- ioral data are consistent with the proposed mechanism: decreasing pharmacologically [GSH] in experimental models, with or without blocking DA uptake (GBR12909), induces morphological and behav- ioral changes similar to those observed in patients. Dendritic spines: (a) In neuronal cultures, low [GSH] and DA induce decreased density of neural processes; (b) In developing rats (p5-p16), [GSH] deficit and GBR induce a decrease in normal spines in prefrontal pyramids and in GABA-parvalbumine but not of -calretinine immunoreactivity in anterior cingulate. NMDA-dependant synaptic plasticity: GSH deple- I/13 tion in hippocampal slices impairs long-term potentiation. Develop- ing rats with low [GSH] and GBR have deficit in olfactory integration and in object recognition which appears earlier in males than fe- males, in analogy to the delay of the psychosis onset between man and woman. In summary, a deficit of GSH and/or GSH-related enzymes during early development could constitute a major vulnerability fac- tor in schizophrenia.

Actin cables and the exocyst form two independent morphogenesis pathways in the fission yeast.

Cell morphogenesis depends on polarized exocytosis. One widely held model posits that long-range transport and exocyst-dependent tethering of exocytic vesicles at the plasma membrane sequentially drive this process. Here, we describe that disruption of either actin-based long-range transport and microtubules or the exocyst did not abolish polarized growth in rod-shaped fission yeast cells. However, disruption of both actin cables and exocyst led to isotropic growth. Exocytic vesicles localized to cell tips in single mutants but were dispersed in double mutants. In contrast, a marker for active Cdc42, a major polarity landmark, localized to discreet cortical sites even in double mutants. Localization and photobleaching studies show that the exocyst subunits Sec6 and Sec8 localize to cell tips largely independently of the actin cytoskeleton, but in a cdc42 and phospholipid phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP₂)-dependent manner. Thus in fission yeast long-range cytoskeletal transport and PIP₂-dependent exocyst represent parallel morphogenetic modules downstream of Cdc42, raising the possibility of similar mechanisms in other cell types.

Adenosine A1 receptor activation is arrhythmogenic in the developing heart through NADPH oxidase/ERK- and PLC/PKC-dependent mechanisms.

Whether adenosine, a crucial regulator of the developing cardiovascular system, can provoke arrhythmias in the embryonic/fetal heart remains controversial. Here, we aimed to establish a mechanistic basis of how an adenosinergic stimulation alters function of the developing heart. Spontaneously beating hearts or dissected atria and ventricle obtained from 4-day-old chick embryos were exposed to adenosine or specific agonists of the receptors A(1)AR (CCPA), A(2A)AR (CGS-21680) and A(3)AR (IB-MECA). Expression of the receptors was determined by quantitative PCR. The functional consequences of blockade of NADPH oxidase, extracellular signal-regulated kinase (ERK), phospholipase C (PLC), protein kinase C (PKC) and L-type calcium channel (LCC) in combination with adenosine or CCPA, were investigated in vitro by electrocardiography. Furthermore, the time-course of ERK phosphorylation was determined by western blotting. Expression of A(1)AR, A(2A)AR and A(2B)AR was higher in atria than in ventricle while A(3)AR was equally expressed. Adenosine (100μM) triggered transient atrial ectopy and second degree atrio-ventricular blocks (AVB) whereas CCPA induced mainly Mobitz type I AVB. Atrial rhythm and atrio-ventricular propagation fully recovered after 60min. These arrhythmias were prevented by the specific A(1)AR antagonist DPCPX. Adenosine and CCPA transiently increased ERK phosphorylation and induced arrhythmias in isolated atria but not in ventricle. By contrast, A(2A)AR and A(3)AR agonists had no effect. Interestingly, the proarrhythmic effect of A(1)AR stimulation was markedly reduced by inhibition of NADPH oxidase, ERK, PLC, PKC or LCC. Moreover, NADPH oxidase inhibition or antioxidant MPG prevented both A(1)AR-mediated arrhythmias and ERK phosphorylation. These results suggest that pacemaking and conduction disturbances are induced via A(1)AR through concomitant stimulation of NADPH oxidase and PLC, followed by downstream activation of ERK and PKC with LCC as possible target.