A review of rhizosphere carbon flow modelling

Rhizosphere processes play a key role in nutrient cycling in terrestrial ecosystems. Plant rhizodeposits supply low-molecular weight carbon substrates to the soil microbial community, resulting in elevated levels of activity surrounding the root. Mechanistic compartmental models that aim to model carbon flux through the rhizosphere have been reviewed and areas of future research necessary to better calibrate model parameters have been identified. Incorporating the effect of variation in bacterial biomass physiology on carbon flux presents a considerable challenge to experimentalists and modellers alike due to the difficulties associated with differentiating dead from dormant cells. A number of molecular techniques that may help to distinguish between metabolic states of bacterial cells are presented. The calibration of growth, death and maintenance parameters in rhizosphere models is also discussed. A simple model of rhizosphere carbon flow has been constructed and a sensitivity analysis was carried out on the model to highlight which parameters were most influential when simulating carbon flux. It was observed that the parameters that most heavily influenced long-term carbon compartmentalisation in the rhizosphere were exudation rate and biomass yield. It was concluded that future efforts to simulate carbon flow in the rhizosphere should aim to increase ecological realism in model structure.

Autophagic bulk sequestration of cytosolic cargo is independent of LC3, but requires GABARAPs

LC3, a mammalian homologue of yeast Atg8, is assumed to play an important part in bulk sequestration and degradation of cytoplasm (macroautophagy), and is widely used as an indicator of this process. To critically examine its role, we followed the autophagic flux of LC3 in rat hepatocytes during conditions of maximal macroautophagic activity (amino acid depletion), combined with analyses of macroautophagic cargo sequestration, measured as transfer of the cytosolic protein lactate dehydrogenase (LDH) to sedimentable organelles. To accurately determine LC3 turnover we developed a quantitative immunoblotting procedure that corrects for differential immunoreactivity of cytosolic and membrane-associated LC3 forms, and we included cycloheximide to block influx of newly synthesized LC3. As expected, LC3 was initially degraded by the autophagic-lysosomal pathway, but, surprisingly, autophagic LC3-flux ceased after ~2h. In contrast, macroautophagic cargo flux was well maintained, and density gradient analysis showed that sequestered LDH partly accumulated in LC3-free autophagic vacuoles. Hepatocytic macroautophagy could thus proceed independently of LC3. Silencing of either of the two mammalian Atg8 subfamilies in LNCaP prostate cancer cells exposed to macroautophagy-inducing conditions (starvation or the mTOR-inhibitor Torin1) confirmed that macroautophagic sequestration did not require the LC3 subfamily, but, intriguingly, we found the GABARAP subfamily to be essential.

Fate of organo-mineral particles in streams: Microbial degradation by streamwater & biofilm assemblages

Inland waters are of global biogeochemical importance. They receive carbon inputs of ~ 4.8 Pg C/ y of which, 12 % is buried, 18 % transported to the oceans, and 70 % supports aquatic secondary production. However, the mechanisms that determine the fate of organic matter (OM) in these systems are poorly defined. One aspect of this is the formation of organo-mineral complexes in aquatic systems and their potential as a route for OM transport and burial vs. their use as carbon (C) and nitrogen (N) sources within aquatic systems. Organo-mineral particles form by sorption of dissolved OM to freshly eroded mineral surfaces and may contribute to ecosystem-scale particulate OM fluxes. We experimentally tested the availability of mineral-sorbed OM as a C & N source for streamwater microbial assemblages and streambed biofilms. Organo-mineral particles were constructed in vitro by sorption of ¹³C:¹⁵N-labelled amino acids to hydrated kaolin particles, and microbial degradation of these particles compared with equivalent doses of ¹³C:¹⁵N-labelled free amino acids. Experiments were conducted in 120 ml mesocosms over 7 days using biofilms and water sampled from the Oberer Seebach stream (Austria). Each incubation experienced a 16:8 light:dark regime, with metabolism monitored via changes in oxygen concentrations between photoperiods. The relative fate of the organo-mineral particles was quantified by tracing the mineralization of the ¹³C and ¹⁵N labels and their incorporation into microbial biomass. Here we present the initial results of ¹³C-label mineralization, incorporation and retention within dissolved organic carbon pool. The results indicate that 514 (± 219) μmol/ mmol of the ¹³:¹⁵N labeled free amino acids were mineralized over the 7-day incubations. By contrast, 186 (± 97) μmol/ mmol of the mineral-sorbed amino acids were mineralized over a similar period. Thus, organo-mineral complexation reduced amino acid mineralization by ~ 60 %, with no differences observed between the streamwater and biofilm assemblages. Throughout the incubations, biofilms were observed to leach dissolved organic carbon (DOC). However, within the streamwater assemblage the presence of both organo-mineral particles and kaolin particles was associated with significant DOC removal (-1.7 % and -7.5 % respectively). Consequently, the study demonstrates that mineral and organo-mineral particles can limit the availability of DOC in aquatic systems, providing nucleation sites for flocculation and fresh mineral surfaces, which facilitate OM-sorption. The formation of these organo-mineral particles subsequently restricts microbial OM degradation, potentially altering the transport and facilitating the burial of OM within streams.

Metabolism of mineral-sorbed organic matter depends upon microbial lifestyle in fluvial ecosystems

In fluvial ecosystems mineral erosion, carbon (C) and nitrogen (N) fluxes are linked via organo-mineral complexation, where dissolved organic molecules bind to mineral surfaces. Biofilms and suspended aggregates represent major aquatic microbial lifestyles whose relative importance changes predictably through fluvial networks. We tested how organo-mineral sorption affects aquatic microbial metabolism, using organo-mineral particles containing a mix of ¹³C, ¹⁵N-labelled amino acids. We traced ¹³C and ¹⁵N retention within biofilm and suspended aggregate biomass and its mineralisation. Organo-mineral complexation restricted C and N retention within biofilms and aggregates and also their mineralisation. This reduced the efficiency with which biofilms mineralise C and N by 30 % and 6 %. By contrast, organo-minerals reduced the C and N mineralisation efficiency of suspended aggregates by 41 % and 93 %. Our findings show how organo-mineral complexation affects microbial C:N stoichiometry, potentially altering the biogeochemical fate of C and N within fluvial ecosystems.

Chemical communication in the Mozambique tilapia: a role for amino acids

The Mozambique tilapia (Oreochromis mossambicus) is a maternal mouthbrooding cichlid from the southern Africa. The olfactory sensitivity of the species to 20 amino acids was assessed using the electro-olfactogram (EOG). We estimated whether the olfactory potency of the polar fraction of male urine can be explained by the presence of identified amino acids. In addition, filtrate and amino acid mixture of the urine of Nile tilapia were used to estimate their olfactory potency for O.mossambicus. Finally, concentrations of the main amino acids were measured in the urine of males of different social status and the correlations between amino acid concentration and hierarchical status were explored. L-cysteine, L-glutamine and L-threonine were the most potent stimuli at M while L-proline and L-aspartate were the least potent. Four groups of amino acids were identified according to their thresholds of detection and three groups – according to the similarity of their ɣ-factors. The estimated threshold of detection for O.mossambicus mixture was higher than that for the filtrate. On the contrary, the threshold of detection for the mixture of Nile tilapia was lower than that for the filtrate The concentration of L-arginine in the urine was positively correlated with fish dominance index. Both L-arginine and L-glutamic acid concentrations had much greater variability in dominant males (DI˃0.5) than in subordinate males (DI˂0.5). The urinary concentrations of L-phenylalanine had similar variability in dominant and subordinate groups. The Mozambique tilapia has olfactory sensitivity to all twenty amino acids tested. The fish showed more acute sensitivity to conspecific urine filtrate than to the heterospecific. Olfactory potency of O.mossambicus filtrate can be largely but not fully explained by the presence of L-arginine, L-glutamic acid and L-phenylalanine. Larginine and L-glutamic acid may indicate the dominance status of the fish and, possibly, individual identity.

Phenylketonuria: Protein content and amino acids profile of dishes for phenylketonuric patients. The relevance of phenylalanine

Phenylketonuria is an inborn error of metabolism, involving, in most cases, a deficient activity of phenylalanine hydroxylase. Neonatal diagnosis and a prompt special diet (low phenylalanine and natural-protein restricted diets) are essential to the treatment. The lack of data concerning phenylalanine contents of processed foodstuffs is an additional limitation for an already very restrictive diet. Our goals were to quantify protein (Kjeldahl method) and amino acid (18) content (HPLC/fluorescence) in 16 dishes specifically conceived for phenylketonuric patients, and compare the most relevant results with those of several international food composition databases. As might be expected, all the meals contained low protein levels (0.67–3.15 g/100 g) with the highest ones occurring in boiled rice and potatoes. These foods also contained the highest amounts of phenylalanine (158.51 and 62.65 mg/100 g, respectively). In contrast to the other amino acids, it was possible to predict phenylalanine content based on protein alone. Slight deviations were observed when comparing results with the different food composition databases.

Compartmentalized Cerebral Metabolism of [1,6-(13)C]Glucose Determined by in vivo (13)C NMR Spectroscopy at 14.1 T.

Cerebral metabolism is compartmentalized between neurons and glia. Although glial glycolysis is thought to largely sustain the energetic requirements of neurotransmission while oxidative metabolism takes place mainly in neurons, this hypothesis is matter of debate. The compartmentalization of cerebral metabolic fluxes can be determined by (13)C nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy upon infusion of (13)C-enriched compounds, especially glucose. Rats under light α-chloralose anesthesia were infused with [1,6-(13)C]glucose and (13)C enrichment in the brain metabolites was measured by (13)C NMR spectroscopy with high sensitivity and spectral resolution at 14.1 T. This allowed determining (13)C enrichment curves of amino acid carbons with high reproducibility and to reliably estimate cerebral metabolic fluxes (mean error of 8%). We further found that TCA cycle intermediates are not required for flux determination in mathematical models of brain metabolism. Neuronal tricarboxylic acid cycle rate (V(TCA)) and neurotransmission rate (V(NT)) were 0.45 ± 0.01 and 0.11 ± 0.01 μmol/g/min, respectively. Glial V(TCA) was found to be 38 ± 3% of total cerebral oxidative metabolism, accounting for more than half of neuronal oxidative metabolism. Furthermore, glial anaplerotic pyruvate carboxylation rate (V(PC)) was 0.069 ± 0.004 μmol/g/min, i.e., 25 ± 1% of the glial TCA cycle rate. These results support a role of glial cells as active partners of neurons during synaptic transmission beyond glycolytic metabolism.

Peroxisomal beta-oxidation--a metabolic pathway with multiple functions.

Fatty acid degradation in most organisms occurs primarily via the beta-oxidation cycle. In mammals, beta-oxidation occurs in both mitochondria and peroxisomes, whereas plants and most fungi harbor the beta-oxidation cycle only in the peroxisomes. Although several of the enzymes participating in this pathway in both organelles are similar, some distinct physiological roles have been uncovered. Recent advances in the structural elucidation of numerous mammalian and yeast enzymes involved in beta-oxidation have shed light on the basis of the substrate specificity for several of them. Of particular interest is the structural organization and function of the type 1 and 2 multifunctional enzyme (MFE-1 and MFE-2), two enzymes evolutionarily distant yet catalyzing the same overall enzymatic reactions but via opposite stereochemistry. New data on the physiological roles of the various enzymes participating in beta-oxidation have been gathered through the analysis of knockout mutants in plants, yeast and animals, as well as by the use of polyhydroxyalkanoate synthesis from beta-oxidation intermediates as a tool to study carbon flux through the pathway. In plants, both forward and reverse genetics performed on the model plant Arabidopsis thaliana have revealed novel roles for beta-oxidation in the germination process that is independent of the generation of carbohydrates for growth, as well as in embryo and flower development, and the generation of the phytohormone indole-3-acetic acid and the signal molecule jasmonic acid.

Does Gamma-aminobutyric acid function as a plant resistance mechanism against phytophagous insect activity? /

Gamma-aminobutyric acid (GAB A) is a ubiquitous non-protein amino acid synthesized via the decarboxylation of L-glutamate in a reaction catalyzed by the cytosolic enzyme L-glutamate decarboxylase (GAD). In animals it functions as an inhibitory neurotransmitter. In plants it accumulates rapidly in response to various stresses, but its function remains unclear. The hypothesis that GABA accumulation in leaf tissue may function as a plant resistance mechanism against phytophagous insect activity was investigated. GABA accumulation in response to mechanical stimulation, mechanical damage and insect activity was demonstrated. In wt tobacco (Nicotiana tabacum cv Samsun), mechanical stimulation or damage caused GABA to accumulate within 2 min from mean levels of 14 to 37 and 1~9 nmol g-l fresh weight (FW), respectively. In the transgenic tobacco strain CaMVGAD27c overexpressing Petunia GAD, the same treatments caused GABA to accumulate from 12 to 59 and 279 nmol g-l FW, respectively. In the transgenic tobacco strain CaMVGADilC 11 overexpressing Petunia GAD lacking an autoinhibitory domain, mechanical stimulation or damage caused GABA to accumulate from 180 to 309 and 630 nmol g-l FW, respectively. Ambulatory activity by tobacco budworm (TBW) larvae (Heliothis virescens) on leaves of CaMVGAD27c tobacco caused GABA to accumulate from 28 to 80 nmol g-l FW within 5 min. Ambulatory and leaf-rolling activity by oblique banded leaf roller (OBLR) larvae (Choristoneura rosaceana cv Harris) on wt soybean leaves (Glycine max cv Harovinton) caused GABA to accumulate from 60 to 1123 nmol g-l FW within 20 min. Increased GABA levels in leaf tissue were shown to affect phytophagous preference in TBW larvae presented with wt and transgenic tobacco leaves. When presented with leaves of Samsun wt and CaMVGAD27c plants, TBW larvae consumed more wt leaf tissue (640 ± 501 S.D. mm2 ) than transgenic leaf tissue (278 ± 338 S.D. mm2 ) nine times out of ten. When presented with leaves of Samsun wt and CaMVGAD~C11 plants, TBW larvae consumed more transgenic leaf tissue (1219 ± 1009 S.D. mm2 ) than wt leaf tissue (28 ± 31 S.D. mm2 ) ten times out of ten. These results indicate that: (1) ambulatory activity of insect larvae on leaves results in increased GABA levels, (2) transgenic tobacco leaves with increased capacity for GABA synthesis deter feeding, and (3) transgenic tobacco leaves with constitutively higher GABA levels stimulate feeding.

Les gènes et protéines BSP chez la souris et l’humain : clonage, caractérisation, expression sous forme recombinante et étude des fonctions biologiques

L’infertilité affecte environ 15% des couples en âge de se reproduire. Dans près de la moitié des cas, des facteurs masculins sont à la base de l’infertilité, quoique les causes exactes demeurent souvent inconnues. Les spermatozoïdes de mammifères subissent une série d’étapes de maturation avant d’acquérir la capacité de féconder un ovocyte. Les premiers changements ont lieu à l’intérieur de l’épididyme, où les spermatozoïdes gagnent la capacité de se mouvoir ainsi que de reconnaître et d’interagir avec l’ovocyte. Suite à l’éjaculation, ils doivent subir une seconde série de modifications à l’intérieur du tractus génital femelle, nommée capacitation. Nous avons préalablement démontré que chez le bovin, la famille de protéines BSP (Binder of SPerm) est essentielle à la capacitation. Des homologues des BSP ont aussi été isolés du fluide séminal de porc, de bouc, de bélier, de bison et d’étalon. Malgré la détection d’antigènes apparentés aux BSP dans le fluide séminal de souris et d’humain, les homologues des BSP n’ont jamais été caractérisés chez ces espèces. Nous avons émis l’hypothèse que des homologues des BSP seraient exprimés chez la souris et l’humain et joueraient un rôle dans la maturation des spermatozoïdes. Nous avons démontré que des séquences homologues aux BSP sont présentes dans les génomes murin et humain. Le génome murin contient trois séquences; Bsph1, Bsph2a et Bsph2b, tandis qu’une seule séquence (BSPH1) a été identifée chez l’humain. Les séquences d’ADNc de Bsph1, Bsph2a et BSPH1 ont été clonées, tandis que Bsph2b serait probablement un pseudogène. Les trois gènes sont exprimés uniquement dans l’épididyme et font partie d’une sous-famille distincte à l’intérieur de la famille des BSP. Chez les ongulés, les BSP sont exprimées par les vésicules séminales, sont ajoutées aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et représentent une proportion significative des protéines du plasma séminal. Au contraire, les BSP épididymaires ne sont retrouvées qu’en faibles quantités dans le fluide séminal. L’étude de leur rôle dans les fonctions spermatiques était donc plus difficile que chez les ongulés, où l’isolement des protéines natives du plasma séminal à l’aide de techniques de chromatographie était possible. Afin d’étudier sa fonction, nous avons exprimé BSPH1 recombinante dans E. coli. Les ponts disulfure des domaines de type-II caractéristiques de ces protéines ont fait en sorte que l’expression de BSPH1 fusionnée à une étiquette hexahistidine ou glutathion-S-transférase a donné lieu à des protéines insolubles dans les corps d’inclusion. La production de BSPH1 soluble a été possible grâce à l’ajout d’une étiquette thiorédoxine et l’expression dans une souche au cytoplasme oxidatif. BSPH1 a été purifiée par affinité et sa liaison aux partenaires connus des BSP, la phosphatidylcholine, les lipoprotéines de faible densité et la membrane des spermatozoïdes, suggérait que la protéine recombinante possédait sa conformation native et pouvait être utilisée pour des essais fonctionnels. La forme native de BSPH1 a été détectée dans le plasma séminal humain suite au fractionnement par gel filtration. La liaison de BSPH1 native à une colonne d’affinité à l’héparine a indiqué qu’elle partage aussi cette propriété de liaison avec la famille des BSP, et pourrait lier les GAGs semblables à l’héparine du tractus génital féminin. Une colonne d’immunoaffinité anti-BSPH1 a été préparée à l’aide d’anticorps générés contre des protéines recombinantes, et a permis d’isoler BSPH1 native à partir d’extraits de spermatozoïdes humains. Nos résultats montrent que BSPH1 native serait localisée dans les microdomaines « rafts » de la membrane. Sa masse moléculaire apparente était de 32 kDa, ce qui est supérieur à la masse prédite selon sa séquence en acides aminés, indiquant la présence probable de modifications post-traductionnelles, ou d’une migration anormale. L’effet de BSPH1 recombinante et des anticorps anti-BSPH1 sur la motilité, la viabilité et la capacitation a aussi été étudié. Les deux dernières variables ont été mesurées par un essai de cytométrie en flux, optimisé dans cette étude. Aucun effet des protéines recombinantes ou des anticorps sur la motilité et la viabilité des spermatozoïdes n’a été noté. Quoiqu’une stimulation modeste, quoique significative, de la capacitation ait été observée à la plus faible concentration de BSPH1, les concentrations plus élevées n’ont pas montré d’effet. De la même manière, les anticorps anti-BSPH1 n’ont pas eu d’effet significatif sur la capacitation. Ces résultats suggèrent que BSPH1 produite dans E. coli n’affecte pas la capacitation de façon marquée. Cependant, puisque BSPH1 native possède probablement des modifications post-traductionnelles, une protéine recombinante produite dans des cellules de mammifères pourrait affecter les fonctions spermatiques. De manière alternative, les BSP épididymaires remplissent peut-être un rôle différent dans les fonctions spermatiques que celles sécrétées par les vésicules séminales des ongulés. Les résultats décrits dans cette thèse pourraient contribuer à améliorer le diagnostic de l’infertilité masculine, ainsi que les techniques de reproduction assistée et éventuellement, pourraient mener au développement de contraceptifs masculins.

In silico analysis of mitochondrial proteins

Le rôle important joué par la mitochondrie dans la cellule eucaryote est admis depuis longtemps. Cependant, la composition exacte des mitochondries, ainsi que les processus biologiques qui sy déroulent restent encore largement inconnus. Deux facteurs principaux permettent dexpliquer pourquoi létude des mitochondries progresse si lentement : le manque defficacité des méthodes didentification des protéines mitochondriales et le manque de précision dans lannotation de ces protéines. En conséquence, nous avons développé un nouvel outil informatique, YimLoc, qui permet de prédire avec succès les protéines mitochondriales à partir des séquences génomiques. Cet outil intègre plusieurs indicateurs existants, et sa performance est supérieure à celle des indicateurs considérés individuellement. Nous avons analysé environ 60 génomes fongiques avec YimLoc afin de lever la controverse concernant la localisation de la bêta-oxydation dans ces organismes. Contrairement à ce qui était généralement admis, nos résultats montrent que la plupart des groupes de Fungi possèdent une bêta-oxydation mitochondriale. Ce travail met également en évidence la diversité des processus de bêta-oxydation chez les champignons, en corrélation avec leur utilisation des acides gras comme source dénergie et de carbone. De plus, nous avons étudié le composant clef de la voie de bêta-oxydation mitochondriale, lacyl-CoA déshydrogénase (ACAD), dans 250 espèces, couvrant les 3 domaines de la vie, en combinant la prédiction de la localisation subcellulaire avec la classification en sous-familles et linférence phylogénétique. Notre étude suggère que les gènes ACAD font partie dune ancienne famille qui a adopté des stratégies évolutionnaires innovatrices afin de générer un large ensemble denzymes susceptibles dutiliser la plupart des acides gras et des acides aminés. Finalement, afin de permettre la prédiction de protéines mitochondriales à partir de données autres que les séquences génomiques, nous avons développé le logiciel TESTLoc qui utilise comme données des Expressed Sequence Tags (ESTs). La performance de TESTLoc est significativement supérieure à celle de tout autre outil de prédiction connu. En plus de fournir deux nouveaux outils de prédiction de la localisation subcellulaire utilisant différents types de données, nos travaux démontrent comment lassociation de la prédiction de la localisation subcellulaire à dautres méthodes danalyse in silico permet daméliorer la connaissance des protéines mitochondriales. De plus, ces travaux proposent des hypothèses claires et faciles à vérifier par des expériences, ce qui présente un grand potentiel pour faire progresser nos connaissances des métabolismes mitochondriaux.

Caractérisation de l’ADNc et de l’ADN génomique codant l’intégrine plaquettaire αIIb‐β3 chez un cheval atteint de Thrombasthénie de Glanzmann

La thrombasthénie de Glanzmann (TG) est une maladie caractérisée par un défaut d’agrégation plaquettaire. C’est une maladie génétique autosomale récessive causée par une anomalie du récepteur plaquettaire pour le fibrinogène. Ce récepteur est une intégrine localisée à la surface plasmatique qui est formée par un complexe composé des sous‐unités αIIb et β3. Nous avons identifié un cheval démontrant les caractéristiques clinicopathologiques de la TG. Des études par cytométrie de flux ont révélé une déficience au niveau de la portion αIIb du récepteur. Ces résultats suggèrent une ou plusieurs mutations au niveau du gène codant pour cette portion αIIb du récepteur. L’objectif de notre étude était de caractériser l’ADNc et l’ADN génomique codant pour les gènes ITGA2B et ITGB3 codant respectivement pour les deux sous‐unités αIIb et β3 chez un cheval atteint de la TG. L’ADNc a été synthétisé par RT‐PCR en utilisant l’ARN total récolté à partir des plaquettes. L’ADN génomique a été extrait à partir des globules blancs. Des amorces spécifiques ont été utilisées pour l’amplification par PCR d’ITGA2B et d’ITGB3. Les séquences d’ADNc et d’ADN génomique de notre patient ont été caractérisées par séquençage et comparées par l’analyse BLAST (GenBank). Une substitution d’une guanine par une cytosine a été mise en évidence au niveau de l’exon 2 d’ITGA2B amenant à la substitution d’une arginine (Arg72) par une proline (Pro72). Ce changement d’acide aminé pourrait résulter en une conformation structurelle anormale qui amènerait à une sous‐unité αIIb inactive. L’analyse de l’ADN génomique a démontré que ce cheval était homozygote pour cette mutation. Le séquençage de l’ADN génomique des parents et de la grand‐mère du patient a démontré que ces individus étaient hétérozygotes pour cette mutation. Le séquençage d’ITGB3 n’a démontré aucune anomalie.

The Role of Specific Amino Acids in the Formation of Ternary Complexes in Nitrogenase Regulation in the Photosynthetic Bacterium Rhodobacter capsulatus

L'azote est l'un des éléments les plus essentiels dans le monde pour les êtres vivants, car il est essentiel pour la production des éléments de base de la cellule, les acides aminés, les acides nucléiques et les autres constituants cellulaires. L’atmosphère est composé de 78% d'azote gazeux, une source d'azote inutilisable par la plupart des organismes à l'exception de ceux qui possèdent l’enzyme nitrogénase, tels que les bactéries diazotrophique. Ces micro-organismes sont capables de convertir l'azote atmosphérique en ammoniac (NH3), qui est l'une des sources d'azote les plus préférables. Cette réaction exigeant l’ATP, appelée fixation de l'azote, est catalysée par une enzyme, nitrogénase, qui est l'enzyme la plus importante dans le cycle de l'azote. Certaines protéines sont des régulateurs potentiels de la synthèse de la nitrogénase et de son activité; AmtB, DraT, DraG, les protéines PII, etc.. Dans cette thèse, j'ai effectué diverses expériences afin de mieux comprendre leurs rôles détailés dans Rhodobacter capsulatus. La protéine membranaire AmtB, très répandue chez les archaea, les bactéries et les eucaryotes, est un membre de la famille MEP / Amt / Rh. Les protéines AmtB sont des transporteurs d'ammonium, importateurs d'ammonium externe, et ont également été suggéré d’agir comme des senseurs d'ammonium. Il a été montré que l’AmtB de Rhodobacter capsulatus fonctionne comme un capteur pour détecter la présence d'ammonium externe pour réguler la nitrogénase. La nitrogénase est constituée de deux métalloprotéines nommées MoFe-protéine et Fe-protéine. L'addition d'ammoniaque à une culture R. capsulatus conduit à une série de réactions qui mènent à la désactivation de la nitrogénase, appelé "nitrogénase switch-off". Une réaction critique dans ce processus est l’ajout d’un groupe ADP-ribose à la Fe-protéine par DraT. L'entrée de l'ammoniac dans la cellule à travers le pore AmtB est contrôlée par la séquestration de GlnK. GlnK est une protéine PII et les protéines PII sont des protéines centrales dans la régulation du métabolisme de l'azote. Non seulement la séquestration de GlnK par AmtB est importante dans la régulation nitrogénase, mais la liaison de l'ammonium par AmtB ou de son transport partiel est également nécessaire. Les complexes AmtB-GlnK sont supposés de lier DraG, l’enzyme responsable pour enlever l'ADP-ribose ajouté à la nitrogénase par DraT, ainsi formant un complexe ternaire. Dans cette thèse certains détails du mécanisme de transduction du signal et de transport d'ammonium ont été examinés par la génération et la caractérisation d’un mutant dirigé, RCZC, (D335A). La capacité de ce mutant, ainsi que des mutants construits précédemment, RCIA1 (D338A), RCIA2 (G344C), RCIA3 (H193E) et RCIA4 (W237A), d’effectuer le « switch-off » de la nitrogénase a été mesurée par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats ont révélé que tous les résidus d'acides aminés ci-dessus ont un rôle essentiel dans la régulation de la nitrogénase. L’immunobuvardage a également été effectués afin de vérifier la présence de la Fe-protéine l'ADP-ribosylée. D335, D388 et W237 semblent être cruciales pour l’ADP-ribosylation, puisque les mutants RCZC, RCIA1 et RCIA4 n'a pas montré de l’ADP-ribosylation de la Fe-protéine. En outre, même si une légère ADP-ribosylation a été observée pour RCIA2 (G344C), nous le considérons comme un résidu d'acide aminé important dans la régulation de la nitrogénase. D’un autre coté, le mutant RCIA3 (H193E) a montré une ADP-ribosylation de la Fe-protéine après un choc d'ammonium, par conséquent, il ne semble pas jouer un rôle important dans l’ADP-ribosylation. Par ailleurs R. capsulatus possède une deuxième Amt appelé AmtY, qui, contrairement à AmtB, ne semble pas avoir des rôles spécifiques. Afin de découvrir ses fonctionnalités, AmtY a été surexprimée dans une souche d’E. coli manquant l’AmtB (GT1001 pRSG1) (réalisée précédemment par d'autres membres du laboratoire) et la formation des complexes AmtY-GlnK en réponse à l'addition d’ammoniac a été examinée. Il a été montré que même si AmtY est en mesure de transporter l'ammoniac lorsqu'il est exprimé dans E. coli, elle ne peut pass’ associer à GlnK en réponse à NH4 +.

Étude dans la cellule bêta pancréatique de voies inhibitrices de la sécrétion d'insuline liées au métabolisme des lipides

Le diabète de type 2 (DT2) est une maladie métabolique complexe causée par des facteurs génétiques mais aussi environnementaux, tels la sédentarité et le surpoids. La dysfonction de la cellule β pancréatique est maintenant reconnue comme l’élément déterminant dans le développement du DT2. Notre laboratoire s’intéresse à la sécrétion d’insuline par la cellule β en réponse aux nutriments calorigéniques et aux mécanismes qui la contrôle. Alors que la connaissance des mécanismes responsables de l’induction de la sécrétion d’insuline en réponse aux glucose et acides gras est assez avancée, les procédés d’inhibition de la sécrétion dans des contextes normaux ou pathologiques sont moins bien compris. L’objectif de la présente thèse était d’identifier quelques-uns de ces mécanismes de régulation négative de la sécrétion d’insuline dans la cellule β pancréatique, et ce en situation normale ou pathologique en lien avec le DT2. La première hypothèse testée était que l’enzyme mitochondriale hydroxyacyl-CoA déshydrogénase spécifique pour les molécules à chaîne courte (short-chain hydroxyacyl-CoA dehydrogenase, SCHAD) régule la sécrétion d’insuline induite par le glucose (SIIG) par la modulation des concentrations d’acides gras ou leur dérivés tels les acyl-CoA ou acyl-carnitine dans la cellule β. Pour ce faire, nous avons utilisé la technologie des ARN interférants (ARNi) afin de diminuer l’expression de SCHAD dans la lignée cellulaire β pancréatique INS832/13. Nous avons par la suite vérifié chez la souris DIO (diet-induced obesity) si une exposition prolongée à une diète riche en gras activerait certaines voies métaboliques et signalétiques assurant une régulation négative de la sécrétion d’insuline et contribuerait au développement du DT2. Pour ce faire, nous avons mesuré la SIIG, le métabolisme intracellulaire des lipides, la fonction mitochondriale et l’activation de certaines voies signalétiques dans les îlots de Langerhans isolés des souris normales (ND, normal diet) ou nourries à la dière riche en gras (DIO) Nos résultats suggèrent que l’enzyme SCHAD est importante dans l’atténuation de la sécrétion d’insuline induite par le glucose et les acides aminés. En effet, l’oxydation des acides gras par la protéine SCHAD préviendrait l’accumulation d’acyl-CoA ou de leurs dérivés carnitine à chaîne courtes potentialisatrices de la sécrétion d’insuline. De plus, SCHAD régule le métabolisme du glutamate par l’inhibition allostérique de l’enzyme glutamate déshydrogénase (GDH), prévenant ainsi une hyperinsulinémie causée par une sur-activité de GDH. L’étude de la dysfonction de la cellule β dans le modèle de souris DIO a démontré qu’il existe une grande hétérogénéité dans l’obésité et l’hyperglycémie développées suite à la diète riche en gras. L’orginialité de notre étude réside dans la stratification des souris DIO en deux groupes : les faibles et forts répondants à la diète (low diet responders (LDR) et high diet responder (HDR)) sur la base de leur gain de poids corporel. Nous avons mis en lumières divers mécanismes liés au métabolisme des acides gras impliqués dans la diminution de la SIIG. Une diminution du flux à travers le cycle TG/FFA accompagnée d’une augmentation de l’oxydation des acides gras et d’une accumulation intracellulaire de cholestérol contribuent à la diminution de la SIIG chez les souris DIO-HDR. De plus, l’altération de la signalisation par les voies AMPK (AMP-activated protein kinase) et PKC epsilon (protéine kinase C epsilon) pourrait expliquer certaines de ces modifications du métabolisme des îlots DIO et causer le défaut de sécrétion d’insuline. En résumé, nous avons mis en lumière des mécanismes importants pour la régulation négative de la sécrétion d’insuline dans la cellule β pancréatique saine ou en situation pathologique. Ces mécanismes pourraient permettre d’une part de limiter l’amplitude ou la durée de la sécrétion d’insuline suite à un repas chez la cellule saine, et d’autre part de préserver la fonction de la cellule β en retardant l’épuisement de celle-ci en situation pathologique. Certaines de ces voies peuvent expliquer l’altération de la sécrétion d’insuline dans le cadre du DT2 lié à l’obésité. À la lumière de nos recherches, le développement de thérapies ayant pour cible les mécanismes de régulation négative de la sécrétion d’insuline pourrait être bénéfique pour le traitement de patients diabétiques.

Rat protease-activated receptor–1 (rPAR1) expression and characterization in Sf9 cells

Connue pour son rôle dans la cascade de coagulation, la thrombine, une protéase à sérine, peut également agir par l’intermédiaire de PAR1, un récepteur activé par protéase et couplé aux protéines G liant le GTP (GPCR). La thrombine se lie et clive l’extrémité N-terminale du PAR1 entre l’Arg41 et la Ser42, exposant une nouvelle extrémité terminale qui agit elle-même comme un ligand. La thrombine et une séquence peptidique de cinq acides aminés, composée des résidus Ser42 à Arg46, nommée PAR1-AP, déclenchent dans diverses cellules de mammifères une réponse intracellulaire comportant une composante calcique. Dans cette étude, le système d’expression par baculovirus dans les cellules Sf9 d'insecte nous a permis d'exprimer le récepteur PAR1 du rat à la surface de ces cellules et de réaliser son couplage fonctionnel à leur signalisation intracellulaire (modèle rPAR1-Sf9). La composante calcique de celle-ci, en réponse au PAR1-AP, a ensuite été étudiée en détail à l’aide de la sonde fluorescente Fura-2 et de plusieurs inhibiteurs agissant sur les canaux calciques ou d'autres éléments de la cascade de signalisation du calcium intracellulaire. Lorsque le milieu extracellulaire contient du calcium (Ca2+), la thrombine ou PAR1-AP déclenchent un signal calcique qui consiste en une augmentation rapide de [Ca2+]i suivi d’un plateau relativement soutenu, puis d'un retour lent vers le niveau de base initial. En l'absence de Ca2+ dans le milieu extracellulaire, l'augmentation initiale rapide de [Ca2+]i est suivie d'un retour rapide vers le [Ca2+]i de base. À l’aide d’inhibiteurs de canaux calciques, tels que le lanthane, la nifédipine et le D-600, l'entrée du calcium du milieu extracellulaire dans les cellules est inhibée, abolissant le plateau soutenu de [Ca2+]i. L’inhibition de la pompe Ca2+-ATPase par la thapsigargine supprime la réponse au PAR1-AP après épuisement des sites de stockage de Ca2+intracellulaire. Le TMB-8 agit de façon discordante quant à l’inhibition de la libération de Ca2+ des sites de stockage intracellulaires. La réponse à PAR1-AP n’est pas affectée par le D-609, un inhibiteur de la phospholipase β. L’inhibition de la protéine kinase C (PKC) par le bisindolylmaléimide induit des oscillations en présence de Ca2+ extracellulaire et atténue fortement le signal calcique en absence de Ca2+ extracellulaire. En présence de Ca2+ extracellulaire, l’activation de la PKC par le PBDu tronque le flux de [Ca2+]i tandis que la réponse calcique est abolie en absence de Ca2+ dans le milieu extracellulaire. Le H-89, un inhibiteur de la protéine kinase A (PKA), cause une prolongation de la durée du plateau de [Ca2+]i dans un milieu riche en calcium et la suppression de la réponse à PAR1-AP lorsque le milieu extracellulaire est dépourvu de Ca2+. Les résultats obtenus nous permettent de conclure que la PKC et possiblement la PKA jouent un rôle critique dans la mobilisation du Ca2+ induite par le PAR1-AP dans le modèle rPAR1-Sf9.