Characterization of Tollip in the Interleulkin-1 Receptor/Toll Like Receptors signaling pathways

SUMMARY IL-1R and TLRs are key players in innate immunity and inflammation. Tollip was identified as a component of IL-1RI, TLR2 and TLR4 signaling complexes that activate NF-κB and MAP kinase pathways. Tollip was previously shown as a negative regulator of NF-κB and MAP Kinase activation. We have characterized the role of Tollip in IL-R/TLRs induced signaling by the analysis of the Tollip deficient mice. We showed that NF-κB and MAPK (p38, JNK, or ERK1/2) signaling appeared normal in Tollip deficient cells following stimulation with IL-1β, lipopolysaccharide (LPS), and other TLR ligands. Also IL-1β and TLRs ligands induced activation of immune cells was indistinguishable from wild-type cells. Strikingly, in Tollip deficient mice the production of the inflammatory cytokines, IL-6 or TNF-α was significantly reduced relative to control mice after treatment with physiological doses of IL-1β or LPS, whereas no difference was observed at high doses of stimulation with LPS or in LPS induced septic shock. Therefore, Tollip could be critical for regulation of optimal responses to IL-1β and LPS, in addition to its role as negative regulator of the signaling. We also studied the role of Tollip as an endocytic adaptor for IL-1R endocytosis. We could show that Il-1R is ubiquitinated after IL-1β stimulation, and that Tollip's CUE domain binds IL-1RI in an ubiquitin-dependent manner. We followed IL-1R internalization and Tollip localization by confocal microscopy. Consistent with a role for Tollip in sorting of ubiquitinated IL-1RI, a significant amount of Tollip was also localized at the late endosomal compartment. We could show that Tollip is required for efficient lysosomal targeting of ubiquitinated IL-1R1, In the absence of Tollip or in Tollip deficient cells reconstituted with a Tollip mutant (defective in ubiquitin binding) IL-1RI accumulates in enlarged late endosomes. In addition, Tollip was shown to interact with, another endocytic adapter, Toml, and both interact with IL-1RI. In conclusion, we showed that Tollip is required for IL-1β and LPS signaling for cytokine production. In addition we showed and that Tollip has a role as an endocytic adapter, necessary for efficient trafficking and lysosomal degradation of IL-1RI. Resumé Le récepteur à l'interleukine-1 (IL-1R) et les récepteurs "Toll-like" (TLRs) sont des acteurs cruciaux de la réponse immunitaire innée et de l'inflammation. La proteine Tollip a été identifiée comme étant un élément des complexes de signalisation, induits par les récepteurs IL-1RI, TLR-2 et TLR-4, qui mènent à l'activation de la voie des MAP kinases et de NF-κB. Dans de précédentes études, il a été montré que Tollip pouvait inhiber ces deux voies de signalisation. Nous avons voulu caractériser plus précisément le rôle de Tollip dans l'activation des voies de signalisation mitées par IL-1R/TLRs en utilisant une lignée murine déficiente pour la protéine Tollip. Ainsi, en absence de Tollip, les cascades d'activation de NF-κB et MAPK (p38, JNK, or ERK1/2) ne semblent pas affectées après stimulation avec IL-1β, lipopolysaccharide (LPS) ou d' autres ligands des TLR. La réponse des cellules du système immunitaire induite par la stimulation avec IL-1β et les ligands des TLR est également comparable entre les souris sauvages et les souris deficientes pour Tollip. Par contre, dans cette lignée murine, la production de cytokines proinflammatoires IL-6 et TNFα induite par la stimulation à dose physiologique de IL-1β or LPS, est réduite. Cependant, lors de stimulation à plus hautes doses de LPS ou pendant un choc septique induit par de LPS, cette réduction n'est pas observée. Ces résultats montrent que Tollip pourrait avoir un rôle déterminant dans l'activation optimale en réponse à l' IL-1β et au LPS qui s'ajoute à sa fonction inhibitrice des mêmes voies de signalisation. Nous avons aussi étudié le rôle de Tollip comme molécule adaptatatrice du mécanisme endocytique d'internalisation de l' IL-1RI. Ainsi, l' IL-1R est ubiquitiné après stimulation par l' IL-1β , permettant à Tollip de se lier au récepteur. Cette interaction est réalisée entre le domaine CUE de Tollip et l'IL-1R via l'ubiquitine. L'internalisation et la localisation intracellulaire de l'IL-1RI et de Tollip ont été observés par microscopie confocale. En accord avec le rôle de Tollip dans le triage et la recirculation des IL-1R ubiquitiné, une quantité importante de Tollip été détectée dans l' endosome tardif. Nous avons pu démontrer que Tollip était nécessaire pour diriger efficacement ubiquitiné vers les lysosomes. Dans des cellules déficientes pour Tollip, ou reconstituées avec un mutant de Tollip (MF/AA) incapable de lier l'ubiquitine, IL-1RI s'accumule dans des vesicules anormales de l'endosome tardif. Dans ce travail, nous avons pu confirmer et préciser la fonction de la protéine Tollip dans l' activation de la production de cytokines induites par l' IL-1p and le LPS lors de l'inflammation et découvrir son rôle d'adaptateur dans l' internalisation et l'endocytose de l' IL-1RI.

Abrasion, transport and distribution of sediment in selected streams of Southern Ontario and Western New York /

The rate of decrease in mean sediment size and weight per square metre along a 54 km reach of the Credit River was found to depend on variations in the channel geometry. The distribution of a specific sediment size consist of: (1) a transport zone; (2) an accumulation zone; and (3) a depletion zone. These zones shift downstream in response to downcurrent decreases in stream competence. Along a .285 km man-made pond, within the Credit River study area, the sediment is also characterized by downstream shifting accumulation zones for each finer clast size. The discharge required to initiate movement of 8 cm and 6 cm blocks in Cazenovia Creek is closely approximated by Baker and Ritter's equation. Incipient motion of blocks in Twenty Mile Creek is best predicted by Yalin's relation which is more efficient in deeper flows. The transport distance of blocks in both streams depends on channel roughness and geometry. Natural abrasion and distribution of clasts may depend on the size of the surrounding sediment and variations in flow competence. The cumulative percent weight loss with distance of laboratory abraded dolostone is defined by a power function. The decrease in weight of dolostone follows a negative exponential. In the abrasion mill, chipping causes the high initial weight loss of dolostone; crushing and grinding produce most of the subsequent weight loss. Clast size was found to have little effect on the abrasion of dolostone within the diameter range considered. Increasing the speed of the mill increased the initial amount of weight loss but decreased the rate of abrasion. The abrasion mill was found to produce more weight loss than stream action. The maximum percent weight loss determined from laboratory and field abrasion data is approximately 40 percent of the weight loss observed along the Credit River. Selective sorting of sediment explains the remaining percentage, not accounted for by abrasion.

Caractérisation des complexes ribonucléoprotéiques de Staufen1 et Staufen2

Dans la cellule, chaque ARNm se doit d’être régulé finement au niveau transcriptionnel, bien entendu, mais également au niveau de sa traduction, de sa dégradation ainsi que de sa localisation intracellulaire, et ce, afin de permettre l’expression de chaque produit protéique au moment et à l’endroit précis où son action est requise. Lorsqu’un mécanisme physiologique est mis de l’avant dans la cellule, il arrive souvent que plusieurs ARNm se doivent d’être régulés simultanément. L’un des moyens permettant d’orchestrer un tel processus est de réguler l’action d’une protéine commune associée à chacun de ces ARNm, via un mécanisme post-traductionnel par exemple. Ainsi l’expression d’un groupe précis d’ARNm peut être régulée finement dans le temps et dans l’espace selon les facteurs protéiques auxquels il est associé. Dans l’optique d’étudier certains de ces complexes ribonucléoprotéiques (mRNP), nous nous sommes intéressés aux isoformes et paralogues de Staufen, une protéine à domaine de liaison à l’ARN double-brin (dsRBD) impliquée dans de nombreux aspects de la régulation post-transcriptionnelle, tels la dégradation, la traduction ou encore la localisation d’ARNm. Chez la drosophile, un seul gène Staufen est exprimé alors que chez les mammifères, il existe deux paralogues de la protéine, soit Stau1 et Stau2, tous deux possédant divers isoformes produits suite à l’épissage alternatif de leur gène. Stau1 et Stau2 sont identiques à 50%. Les deux isoformes de Stau2, Stau259 et Stau262 ne diffèrent qu’en leur extrémité N-terminale. En effet, alors que Stau259 arbore un dsRBD1 tronqué, celui de Stau262 est complet. Ces observations introduisent une problématique très intéressante à laquelle nous nous sommes attaqué : ces différentes protéines, quoique très semblables, font-elles partie de complexes ribonucléoprotéiques distincts ayant des fonctions propres à chacun ou, au contraire, vu cette similarité de séquence, travaillent-elles de concert au sein des mêmes complexes ribonucléoprotéiques? Afin d’adresser cette question, nous avons entrepris d’isoler, à partir de cellules HEK293T, les différents complexes de Stau1 et Stau2 par la technique d’immunoprécipitation. Nous avons isolé les ARNm associés à chaque protéine, les avons identifiés grâce aux micropuces d’ADN et avons confirmé nos résultats par RT-PCR. Malgré la présence d’une population commune d’ARNm associée à Stau1 et Stau2, la majorité des transcrits identifiés furent spécifiques à chaque orthologue. Cependant, nous avons remarqué que les diverses populations d’ARNm participaient aux mêmes mécanismes de régulation, ce qui suggère que ces deux protéines possèdent des rôles complémentaires dans la mise en œuvre de divers phénomènes cellulaires. Au contraire, les transcrits associés à Stau259 et Stau262 sont davantage similaires, indiquant que celles-ci auraient des fonctions plutôt semblables. Ces résultats sont très intéressants, car pour la première fois, nous avons identifié des populations d’ARNm associées aux isoformes Stau155, Stau259 et Stau262. De plus, nous les avons analysées en parallèle afin d’en faire ressortir les populations spécifiques à chacune de ces protéines. Ensuite, connaissant l’importance de Stau2 dans le transport dendritique d’ARNm, nous avons cherché à caractériser les complexes ribonucléoprotéiques neuronaux associés à celle-ci. Dans un premier temps et à l’aide de la technique d’immunoprécipitation, nous avons identifié une population d’ARNm neuronaux associés à Stau2. Plus de 1700 ARNm montraient une présence d’au moins huit fois supérieure dans le précipité obtenu avec l’anticorps anti-Stau2 par rapport à celui obtenu avec le sérum pré-immun. Ces ARNm codent pour des protéines impliquées dans des processus de modifications post-traductionnelles, de traduction, de transport intracellulaire et de métabolisme de l’ARN. De façon intéressante, cette population d’ARNm isolée du cerveau de rat est relativement différente de celle caractérisée des cellules humaines HEK293T. Ceci suggère que la spécificité d’association Stau2-ARNm peut diffèrer d’un tissu à un autre. Dans un deuxième temps, nous avons isolé les protéines présentes dans les complexes ribonucléoprotéiques obtenus de cerveaux de rat et les avons identifiées par analyse en spectrométrie de masse. De cette façon, nous avons identifié au sein des particules de Stau2 des protéines liant l’ARN (PABPC1, hnRNPH1, YB1, hsc70), des protéines du cytosquelette (α- et β-tubuline), de même que la protéine peu caractérisée RUFY3. En poussant davantage la caractérisation, nous avons établi que YB1 et PABPC1 étaient associées à Stau2 grâce à la présence de l’ARN, alors que la protéine hsc70, au contraire, interagissait directement avec celle-ci. Enfin, cette dernière association semble être modulable par l’action de l’ATP. Ce résultat offre de nombreuses possibilités quant à la régulation de la fonction de Stau2 et/ou de son mRNP. Entre autres, cette étude suggère un mécanisme de régulation de la traduction au sein de ces particules. Pour faire suite à la caractérisation des mRNP de Stau, nous avons voulu déterminer au niveau neurophysiologique l’importance de ceux-ci. Comme l’étude de Stau2 avait déjà été entreprise préalablement par un autre laboratoire, nous avons décidé de concentrer notre étude sur le rôle de Stau1. Ainsi, nous avons démontré que celle-ci était nécessaire à la mise en place d’une forme de plasticité synaptique à long terme, la forme tardive de potentialisation à long terme ou L-LTP, dépendante de la transcription et de l’activité des récepteurs NMDA. La transmission de base, de même que la faculté de ces épines à faire de la E-LTP, la forme précoce de potentialisation à long terme, et la dépression à long terme ou LTD sont conservées. Ceci indique que les épines conservent la capacité d’être modulées. Ainsi, l’inhibition de la L-LTP, suite à la sous-expression de Stau1, n’est pas simplement due à la perte d’éléments fonctionnels, mais réside plutôt dans l’incapacité de ceux-ci à induire les changements synaptiques spécifiquement nécessaires à la mise en place de la L-LTP. De plus, au niveau synaptique, la sous-expression de Stau1 réduit à la fois l’amplitude et la fréquence des mEPSC. Ces résultats concordent avec l’observation que la sous-expression de Stau1 augmente significativement la proportion d’épines allongées et filopodales, des épines formant des synapses dites silencieuses. Par le fait même, elle diminue le nombre d’épines fonctionnelles, de forme dite normale. Ainsi, nous avons été en mesure de démontrer que l’absence, au niveau neuronal, de la protéine Stau1 induisait un déficit probable dans la localisation et/ou la traduction d’ARNm responsable de la restructuration de l’épine et de facteurs nécessaires à la mise en place de la L-LTP. En conclusion, nous avons participé à lever le voile sur la composition et l’importance des complexes ribonucléoprotéiques de Stau1 et Stau2. Nous avons identifié des populations distinctes et communes d’ARNm associées aux différents isoformes de Stau, à partir des mRNP présents au sein des cellules HEK293. De plus, nous avons réussi à mettre à l’avant plan certaines composantes des mRNP neuronaux de Stau2, dont un partenaire protéique direct, hsc70, partenaire dont l’association est modulable par l’action de l’ATP, ainsi qu’une population neuronale de transcrits d’ARNm. Enfin, nous avons mis en lumière l’importance de Stau1 dans la morphologie des épines dendritiques ainsi que dans le phénomène de la plasticité synaptique.

Fonction de la protéine Ceroid lipofuscinosis neuronal 5 (CLN5) dans le tri et le recyclage à l’endosome

Le tri et le transport efficace des hydrolases acides vers le lysosome jouent un rôle critique pour la fonction des cellules. Plus de 50 maladies humaines sont dues à des mutations des enzymes lysosomales, des protéines régulant des processus-clés du transport vers le lysosome ou des enzymes effectuant des modifications posttraductionnelles importantes pour la fonction du lysosome. L’objectif de cette thèse est d’identifier des protéines et des mécanismes permettant à la cellule de réguler le transport des enzymes vers le lysosome. Nous avons formulé l’hypothèse que des protéines mutées dans des maladies lysosomales et dont les fonctions étaient inconnues pouvaient jouer un rôle dans le transport vers le lysosome. Les céroïdes-lipofuscinoses neuronales forment une famille de maladies lysosomales rares mais sont aussi les maladies neurodégénératives infantiles les plus fréquentes. Plusieurs gènes impliqués dans les NCL encodent des protéines aux fonctions inconnues. Les travaux présentés dans cette thèse ont identifié la protéine « ceroid lipofuscinosis neuronal-5 » (CLN5) qui est localisée à l’endosome et au lysosome comme élément nécessaire au recrutement et à l’activation de rab7. Rab7 est une protéine Rab-clé qui contrôle le trafic à l’endosome tardif. Cette petite GTPase est impliquée dans le recrutement de retromer, un complexe protéique qui régule le trafic de l’endosome vers l’appareil de Golgi des récepteurs de tri lysosomal comme sortilin et le récepteur du mannose-6-phosphate. Dans les cellules où CLN5 est déplété, les récepteurs de tri lysosomal sont moins recyclés plus rapidement dégradés. En utilisant des expériences de photomarquage nous avons aussi pu démontrer que Rab7 est moins activées en l’absence de CLN5. Pour exécuter leur fonction les protéines rabs doivent être recrutée à la membrane et activées par l’échange d’une molécule de GDP pour une molécule de GTP. Le recrutement des Rabs à la membrane nécessite une modification posttraductionnelle lipidique pour être facilités. En utilisant un modèle de levures nous avons démontré que l’homologue de Rab7, Ypt7 est palmitoylée. Nous avons aussi démontré que la palmitoyltransférase Swif1 est nécessaire au recrutement de Ypt7 à la membrane. Nous avons aussi remarqué que les sous- unités de retromer chez la levure sont moins recrutées lorsque les palmitoyltransférases sont déplétées. Dans les cellules de mammifères nous avons démontré que Rab7 est également palmitoylé et que cette palmitoylation est possiblement effectuée par les palmitoyltransférases DHHC1 et DHHC8. La palmitoylation de Rab7 a lieu sur les cystéines en C-terminal qui sont nécessaires au recrutement membranaire et qui auparavant étaient uniquement décrites comme prénylées. En utilisant la méthode de « click chemistry » nous avons découvert que lorsque la prénylation de Rab7 est bloquée le niveau de palmitoylation augmente. Pour caractériser l’interaction entre CLN5 et Rab7 nous avons performé des expériences afin d’établir définitivement la topologie de cette protéine. Nous avons ainsi démontré que CLN5 est une protéine hautement glycosylée qui est initialement traduite en protéine transmembranaire et subséquemment clivée par un membre de la famille des peptidase de peptide signal (SPP). Cette protéine soluble peut alors possiblement interagir avec CLN3 qui est aussi palmitoylée pour recruter et activer Rab7. Nos études suggèrent pour la première fois que CLN5 pourrait être un recruteur et un activateur de Rab7 qui agirait avec la protéine CLN3 pour séquestrer Rab7 avec les autres récepteurs palmitoylés et permettre leur recyclage vers l’appareil de Golgi.

Rôle de l'isoforme p35 de la chaîne invariante humaine dans la formation et le transport de complexes de CMH II

La présentation antigénique par les molécules de classe II du complexe majeur d’histocompatibilité (CMH II) est un mécanisme essentiel au contrôle des pathogènes par le système immunitaire. Le CMH II humain existe en trois isotypes, HLA-DP, DQ et DR, tous des hétérodimères composés d’une chaîne α et d’une chaîne β. Le CMH II est entre autres exprimé à la surface des cellules présentatrices d’antigènes (APCs) et des cellules épithéliales activées et a pour fonction de présenter des peptides d’origine exogène aux lymphocytes T CD4+. L’oligomérisation et le trafic intracellulaire du CMH II sont largement facilités par une chaperone, la chaîne invariante (Ii). Il s’agit d’une protéine non-polymorphique de type II. Après sa biosynthèse dans le réticulum endoplasmique (ER), Ii hétéro- ou homotrimérise, puis interagit via sa région CLIP avec le CMH II pour former un complexe αβIi. Le complexe sort du ER pour entamer son chemin vers différents compartiments et la surface cellulaire. Chez l’homme, quatre isoformes d’Ii sont répertoriées : p33, p35, p41 et p43. Les deux isoformes exprimées de manière prédominante, Iip33 et p35, diffèrent par une extension N-terminale de 16 acides aminés portée par Iip35. Cette extension présente un motif de rétention au réticulum endoplasmique (ERM) composé des résidus RXR. Ce motif doit être masqué par la chaîne β du CMH II pour permettre au complexe de quitter le ER. Notre groupe s’est intéressé au mécanisme du masquage et au mode de sortie du ER des complexes αβIi. Nous montrons ici que l’interaction directe, ou en cis, entre la chaîne β du CMH II et Iip35 dans une structure αβIi est essentielle pour sa sortie du ER, promouvant la formation de structures de haut niveau de complexité. Par ailleurs, nous démontrons que NleA, un facteur de virulence bactérien, permet d’altérer le trafic de complexes αβIi comportant Iip35. Ce phénotype est médié par l’interaction entre p35 et les sous-unités de COPII. Bref, Iip35 joue un rôle central dans la formation des complexes αβIi et leur transport hors du ER. Ceci fait d’Iip35 un régulateur clef de la présentation antigénique par le CMH II.

Endosomal deubiquitinating enzymes control ubiquitination and down-regulation of protease-activated receptor 2

The E3 ubiquitin ligase c-Cbl ubiquitinates the G protein-coupled receptor protease-activated receptor 2 (PAR(2)), which is required for postendocytic sorting of activated receptors to lysosomes, where degradation terminates signaling. The mechanisms of PAR(2) deubiquitination and its importance in trafficking and signaling of endocytosed PAR(2) are unknown. We report that receptor deubiquitination occurs between early endosomes and lysosomes and involves the endosomal deubiquitinating proteases AMSH and UBPY. Expression of the catalytically inactive mutants, AMSH(D348A) and UBPY(C786S), caused an increase in PAR(2) ubiquitination and trapped the receptor in early endosomes, thereby preventing lysosomal trafficking and degradation. Small interfering RNA knockdown of AMSH or UBPY also impaired deubiquitination, lysosomal trafficking, and degradation of PAR(2). Trapping PAR(2) in endosomes through expression of AMSH(D348A) or UBPY(C786S) did not prolong the association of PAR(2) with beta-arrestin2 or the duration of PAR(2)-induced ERK2 activation. Thus, AMSH and UBPY are essential for trafficking and down-regulation of PAR(2) but not for regulating PAR(2) dissociation from beta-arrestin2 or PAR(2)-mediated ERK2 activation.

Photophysical properties of a fluorene-bipyridine copolymer and its complexes with europium

The synthesis and structural characterization of a europium complexed fluorene-bipyridine copolymer are described. A level of ion insertion of 80% in molar basis was achieved, and theoretical calculations showed that it required a twist of 179 degrees (49 kJ) between the pyridine units. Spectroscopy data showed that no electronic coupling between the main backbone and the complexation sites had occurred, but these hindered the interchain aggregation observed in the non complexed polymer. Preliminary electroluminescence studies showed that the EL and PL spectra are consistent, and that the ion had a trapping effect in the charge transport. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Copper and zinc stable isotope ratios as tracers of biogeochemical processes, sources and transport of Cu and Zn in soils

Copper and Zn are essential micronutrients for plants, animals, and humans; however, they may also be pollutants if they occur at high concentrations in soil. Therefore, knowledge of Cu and Zn cycling in soils is required both for guaranteeing proper nutrition and to control possible risks arising from pollution.rnThe overall objective of my study was to test if Cu and Zn stable isotope ratios can be used to investigate into the biogeochemistry, source and transport of these metals in soils. The use of stable isotope ratios might be especially suitable to trace long-term processes occurring during soil genesis and transport of pollutants through the soil. In detail, I aimed to answer the questions, whether (1) Cu stable isotopes are fractionated during complexation with humic acid, (2) 65Cu values can be a tracer for soil genetic processes in redoximorphic soils (3) 65Cu values can help to understand soil genetic processes under oxic weathering conditions, and (4) 65Cu and 66Zn values can act as tracers of sources and transport of Cu and Zn in polluted soils.rnTo answer these questions, I ran adsorption experiments at different pH values in the laboratory and modelled Cu adsorption to humic acid. Furthermore, eight soils were sampled representing different redox and weathering regimes of which two were influenced by stagnic water, two by groundwater, two by oxic weathering (Cambisols), and two by podzolation. In all horizons of these soils, I determined selected basic soil properties, partitioned Cu into seven operationally defined fractions and determined Cu concentrations and Cu isotope ratios (65Cu values). Finally, three additional soils were sampled along a deposition gradient at different distances to a Cu smelter in Slovakia and analyzed together with bedrock and waste material from the smelter for selected basic soil properties, Cu and Zn concentrations and 65Cu and 66Zn values.rnMy results demonstrated that (1) Copper was fractionated during adsorption on humic acid resulting in an isotope fractionation between the immobilized humic acid and the solution (65CuIHA-solution) of 0.26 ± 0.11‰ (2SD) and that the extent of fractionation was independent of pH and involved functional groups of the humic acid. (2) Soil genesis and plant cycling causes measurable Cu isotope fractionation in hydromorphic soils. The results suggested that an increasing number of redox cycles depleted 63Cu with increasing depth resulting in heavier 65Cu values. (3) Organic horizons usually had isotopically lighter Cu than mineral soils presumably because of the preferred uptake and recycling of 63Cu by plants. (4) In a strongly developed Podzol, eluviation zones had lighter and illuviation zones heavier 65Cu values because of the higher stability of organo-65Cu complexes compared to organo-63Cu complexes. In the Cambisols and a little developed Podzol, oxic weathering caused increasingly lighter 65Cu values with increasing depth, resulting in the opposite depth trend as in redoximorphic soils, because of the preferential vertical transport of 63Cu. (5) The 66Zn values were fractionated during the smelting process and isotopically light Zn was emitted allowing source identification of Zn pollution while 65Cu values were unaffected by the smelting and Cu emissions isotopically indistinguishable from soil. The 65Cu values in polluted soils became lighter down to a depth of 0.4 m indicating isotope fractionation during transport and a transport depth of 0.4 m in 60 years. 66Zn values had an opposite depth trend becoming heavier with depth because of fractionation by plant cycling, speciation changes, and mixing of native and smelter-derived Zn. rnCopper showed measurable isotope fractionation of approximately 1‰ in unpolluted soils, allowing to draw conclusions on plant cycling, transport, and redox processes occurring during soil genesis and 65Cu and 66Zn values in contaminated soils allow for conclusions on sources (in my study only possible for Zn), biogeochemical behavior, and depth of dislocation of Cu and Zn pollution in soil. I conclude that stable Cu and Zn isotope ratios are a suitable novel tool to trace long-term processes in soils which are difficult to assess otherwise.rn

Intraflagellar transport in the developing and mature vertebrate retina

Intraflagellar transport (IFT) is required for the assembly and maintenance of cilia. In this study we analyzed the subcellular localization of IFT proteins in retinal cells by correlative high-resolution immunofluorescence and immunoelectron microscopy. The rod photoreceptor cell was used as a model system to analyze protein distribution in cilia. To date the expression of IFT proteins has been described in the ciliary region without deciphering the precise spatial and temporal subcellular localization of IFT proteins, which was the focus of my work. rnThe establishment of the pre-embedding immunoelectron method was an important first step for the present doctoral thesis. Results of this work reveal the differential localization of IFT20, IFT52, IFT57, IFT88, IFT140 in sub-ciliary compartments and also their presence in non-ciliary compartments of retinal photoreceptor cells. Furthermore, the localization of IFT20, IFT52 and IFT57 in dendritic processes of non-ciliated neurons indicates that IFT protein complexes also operate in non-ciliated cells and may participate in intracellular vesicle trafficking in eukaryotic cells in general.rnIn addition, we have investigated the involvement of IFT proteins in the ciliogenesis of vertebrate photoreceptor cilia. Electron microscopy analyses revealed six morphologically distinct stages. The first stages are characterized by electron dense centriolar satellites and a ciliary vesicle, while the formation of a ciliary shaft and of the light sensitive outer segment disks are features of the later stages. IFT proteins were expressed during all stages of photoreceptor cell development and found to be associated with the ciliary apparatus. In addition to the centriole and basal body IFT proteins are present in the photoreceptor cytoplasm, associated with centriolar satellites, post-Golgi vesicles and with the ciliary vesicle. Therewith the data provide an evidence for the involvement of IFT proteins during ciliogenesis, including the formation of the ciliary vesicle and the elongation of the primary cilium of photoreceptor cells. Moreover, the cytoplasmic localization of IFT proteins in the absence of a ciliary shaft in early stages of ciliogenesis indicates roles of IFT proteins beyond their well-established function for IFT in mature cilia and flagella. rn

Studies of subcellular localization and complex formation of the Agrobacterium tumefaciens transport ATPase VirB11

The VirB11 ATPase is an essential component of an Agrobacterium tumefaciens type IV bacterial secretion system that transfers oncogenic nucleoprotein complexes to susceptible plant cells. This dissertation investigates the subcellular localization and homo-oligomeric state of the VirB11 ATPase in order to provide insights about the assembly of the protein as a subunit of this membrane-associated transfer system. Subcellular fractionation studies and quantitative immunoblot analysis demonstrated that $\sim$30% of VirB11 partitioned as soluble protein and $\sim$70% was tightly associated with the bacterial cytoplasmic membrane. No differences were detected in VirB11 subcellular localization and membrane association in the presence or absence of other transport system components. Mutations in virB11 affecting protein function were mapped near the amino terminus, just upstream of a region encoding a Walker 'A' nucleotide-binding site, and within the Walker 'A' motif partitioned almost exclusively with the cytoplasmic membrane, suggesting that an activity associated with nucleotide binding could modulate the affinity of VirB11 for the cytoplasmic membrane. Merodiploid analysis of VirB11 mutant and truncation derivatives provided strong evidence that VirB11 functions as a homo- or heteromultimer and that the C-terminal half of VirB11 contains a protein interaction domain. A combination of biochemical and molecular genetic approaches suggested that VirB11 and the green fluorescence protein (GFP) formed a mixed multimer as demonstrated by immunoprecipitation experiments with anti-GFP antibodies. Second, a hybrid protein composed of VirB11 fused to the N-terminal DNA-binding domain of bacteriophage $\lambda$ cI repressor conferred immunity to $\lambda$ superinfection, demonstrating that VirB11 self-association promotes dimerization of the chimeric repressor. A conserved Walker 'A' motif, though required for VirB11 function in T-complex export, was not necessary for VirB11 self-association. Sequences in both the N- and the C-terminal halves of the protein were found to contribute to self-association of the full length protein. Chemical cross-linking experiments with His$\sb6$ tagged VirB11 suggested that VirB11 probably assembles into a higher order homo-oligomeric complex. ^

The Hydroxyl Side Chain of a Highly Conserved Serine Residue Is Required for Cation Selectivity and Substrate Transport in the Glial Glutamate Transporter GLT-1/SLC1A2

Glutamate transporters maintain synaptic concentration of the excitatory neurotransmitter below neurotoxic levels. Their transport cycle consists of cotransport of glutamate with three sodium ions and one proton, followed by countertransport of potassium. Structural studies proposed that a highly conserved serine located in the binding pocket of the homologous GltPh coordinates l-aspartate as well as the sodium ion Na1. To experimentally validate these findings, we generated and characterized several mutants of the corresponding serine residue, Ser-364, of human glutamate transporter SLC1A2 (solute carrier family 1 member 2), also known as glutamate transporter GLT-1 and excitatory amino acid transporter EAAT2. S364T, S364A, S364C, S364N, and S364D were expressed in HEK cells and Xenopus laevis oocytes to measure radioactive substrate transport and transport currents, respectively. All mutants exhibited similar plasma membrane expression when compared with WT SLC1A2, but substitutions of serine by aspartate or asparagine completely abolished substrate transport. On the other hand, the threonine mutant, which is a more conservative mutation, exhibited similar substrate selectivity, substrate and sodium affinities as WT but a lower selectivity for Na(+) over Li(+). S364A and S364C exhibited drastically reduced affinities for each substrate and enhanced selectivity for l-aspartate over d-aspartate and l-glutamate, and lost their selectivity for Na(+) over Li(+). Furthermore, we extended the analysis of our experimental observations using molecular dynamics simulations. Altogether, our findings confirm a pivotal role of the serine 364, and more precisely its hydroxyl group, in coupling sodium and substrate fluxes.

Functionality of major histocompatibility complex class II molecules in mice doubly deficient for invariant chain and H-2M complexes

By combining two previously generated null mutations, Ii° and M°, we produced mice lacking the invariant chain and H-2M complexes, both required for normal cell-surface expression of major histocompatibility complex class II molecules loaded with the usual diverse array of peptides. As expected, the maturation and transport of class II molecules, their expression at the cell surface, and their capacity to present antigens were quite similar for cells from Ii°M° double-mutant mice and from animals carrying just the Ii° mutation. More surprising were certain features of the CD4+ T cell repertoire selected in Ii°M° mice: many fewer cells were selected than in Ii+M° animals, and these had been purged of self-reactive specificities, unlike their counterparts in Ii+M° animals. These findings suggest (i) that the peptides carried by class II molecules on stromal cells lacking H-2M complexes may almost all derive from invariant chain and (ii) that H-2M complexes edit the peptide array displayed on thymic stromal cells in the absence of invariant chain, showing that it can edit, in vivo, peptides other than CLIP.

The interaction between cytoplasmic dynein and dynactin is required for fast axonal transport

Fast axonal transport is characterized by the bidirectional, microtubule-based movement of membranous organelles. Cytoplasmic dynein is necessary but not sufficient for retrograde transport directed from the synapse to the cell body. Dynactin is a heteromultimeric protein complex, enriched in neurons, that binds to both microtubules and cytoplasmic dynein. To determine whether dynactin is required for retrograde axonal transport, we examined the effects of anti-dynactin antibodies on organelle transport in extruded axoplasm. Treatment of axoplasm with antibodies to the p150Glued subunit of dynactin resulted in a significant decrease in the velocity of microtubule-based organelle transport, with many organelles bound along microtubules. We examined the molecular mechanism of the observed inhibition of motility, and we demonstrated that antibodies to p150Glued disrupted the binding of cytoplasmic dynein to dynactin and also inhibited the association of cytoplasmic dynein with organelles. In contrast, the anti-p150Glued antibodies had no effect on the binding of dynactin to microtubules nor on cytoplasmic dynein-driven microtubule gliding. These results indicate that the interaction between cytoplasmic dynein and the dynactin complex is required for the axonal transport of membrane-bound vesicles and support the hypothesis that dynactin may function as a link between the organelle, the microtubule, and cytoplasmic dynein during vesicle transport.

The maturity-onset diabetes of the young (MODY1) transcription factor HNF4α regulates expression of genes required for glucose transport and metabolism

Hepatocyte nuclear factor 4α (HNF4α) plays a critical role in regulating the expression of many genes essential for normal functioning of liver, gut, kidney, and pancreatic islets. A nonsense mutation (Q268X) in exon 7 of the HNF4α gene is responsible for an autosomal dominant, early-onset form of non-insulin-dependent diabetes mellitus (maturity-onset diabetes of the young; gene named MODY1). Although this mutation is predicted to delete 187 C-terminal amino acids of the HNF4α protein the molecular mechanism by which it causes diabetes is unknown. To address this, we first studied the functional properties of the MODY1 mutant protein. We show that it has lost its transcriptional transactivation activity, fails to dimerize and bind DNA, implying that the MODY1 phenotype is because of a loss of HNF4α function. The effect of loss of function on HNF4α target gene expression was investigated further in embryonic stem cells, which are amenable to genetic manipulation and can be induced to form visceral endoderm. Because the visceral endoderm shares many properties with the liver and pancreatic β-cells, including expression of genes for glucose transport and metabolism, it offers an ideal system to investigate HNF4-dependent gene regulation in glucose homeostasis. By exploiting this system we have identified several genes encoding components of the glucose-dependent insulin secretion pathway whose expression is dependent upon HNF4α. These include glucose transporter 2, and the glycolytic enzymes aldolase B and glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, and liver pyruvate kinase. In addition we have found that expression of the fatty acid binding proteins and cellular retinol binding protein also are down-regulated in the absence of HNF4α. These data provide direct evidence that HNF4α is critical for regulating glucose transport and glycolysis and in doing so is crucial for maintaining glucose homeostasis.

Caenorhabditis elegans Mediator complexes are required for developmental-specific transcriptional activation

Mediator proteins are required for transcriptional regulation of most genes in yeast. Mammalian Mediator homologs also function as transcriptional coactivators in vitro; however, their physiological role in gene-specific transcription is not yet known. To determine the role of Mediator proteins in the development of complex organisms, we purified putative Mediator complexes from Caenorhabditis elegans and analyzed their phenotypes in vivo. C. elegans Mediator homologs were assembled into two multiprotein complexes. RNA interference assays showed that the CeMed6, CeMed7, and CeMed10/CeNut2 gene products are required for the expression of developmentally regulated genes, but are dispensable for expression of the ubiquitously expressed genes tested in this study. Therefore, the gene-specific function of Mediator as an integrator of transcriptional regulatory signals is evolutionarily conserved and is essential for C. elegans development.