KATNAL1 regulation of sertoli cell microtubule dynamics is essential for spermiogenesis and male fertility

Spermatogenesis is a complex process reliant upon interactions between germ cells (GC) and supporting somatic cells. Testicular Sertoli cells (SC) support GCs during maturation through physical attachment, the provision of nutrients, and protection from immunological attack. This role is facilitated by an active cytoskeleton of parallel microtubule arrays that permit transport of nutrients to GCs, as well as translocation of spermatids through the seminiferous epithelium during maturation. It is well established that chemical perturbation of SC microtubule remodelling leads to premature GC exfoliation demonstrating that microtubule remodelling is an essential component of male fertility, yet the genes responsible for this process remain unknown. Using a random ENU mutagenesis approach, we have identified a novel mouse line displaying male-specific infertility, due to a point mutation in the highly conserved ATPase domain of the novel KATANIN p60-related microtubule severing protein Katanin p60 subunit A-like1 (KATNAL1). We demonstrate that Katnal1 is expressed in testicular Sertoli cells (SC) from 15.5 days post-coitum (dpc) and that, consistent with chemical disruption models, loss of function of KATNAL1 leads to male-specific infertility through disruption of SC microtubule dynamics and premature exfoliation of spermatids from the seminiferous epithelium. The identification of KATNAL1 as an essential regulator of male fertility provides a significant novel entry point into advancing our understanding of how SC microtubule dynamics promotes male fertility. Such information will have resonance both for future treatment of male fertility and the development of non-hormonal male contraceptives.

Inhibition of cellular proliferation by the Wilms tumor suppressor WT1 requires association with the inducible chaperone Hsp70

The Wilms tumor suppressor WT1 encodes a zinc finger transcription factor that is expressed in glomerular podocytes during a narrow window in kidney development. By immunoprecipitation and protein microsequencing analysis, we have identified a major cellular protein associated with endogenous WT1 to be the inducible chaperone Hsp70. WT1 and Hsp70 are physically associated in embryonic rat kidney cells, in primary Wilms tumor specimens and in cultured cells with inducible expression of WT1. Colocalization of WT1 and Hsp70 is evident within podocytes of the developing kidney, and Hsp70 is recruited to the characteristic subnuclear clusters that contain WT1. The amino-terminal transactivation domain of WT1 is required for binding to Hsp70, and expression of that domain itself is sufficient to induce expression of Hsp70 through the heat shock element (HSE). Substitution of a heterologous Hsp70-binding domain derived from human DNAJ is sufficient to restore the functional properties of a WT1 protein with an amino-terminal deletion, an effect that is abrogated by a point mutation in DNAJ that reduces binding to Hsp70. These observations indicate that Hsp70 is an important cofactor for the function of WT1, and suggest a potential role for this chaperone during kidney differentiation.

Heterozygous ATM mutations do not contribute to early onset of breast cancer

Ataxia telangiectasia (AT) is a recessive syndrome, including cerebellar degeneration, immunologic defects and cancer predisposition, attributed to mutations in the recently isolated ATM (ataxia telangiectasia, mutated) gene. AT is diagnosed in 1/40,000 to 1/100,000 live births, with carriers calculated to comprise approximately 1% of the population. Studies of AT families have suggested that female relatives presumed to be carriers have a 5 to 8-fold increased risk for developing breast cancer, raising the possibility that germline ATM mutations may account for approximately 5% of all breast cancer cases. The increased risk for breast cancer reported for AT family members has been most evident among younger women, leading to an age-specific relative risk model predicting that 8% of breast cancer in women under age 40 arises in AT carriers, compared with 2% of cases between 40-59 years. To test this hypothesis, we undertook a germ-line mutational analysis of the ATM gene in a population of women with early onset of breast cancer, using a protein truncation (PTT) assay to detect chain-terminating mutations, which account for 90% of mutations identified in children with AT. We detected a heterozygous ATM mutation in 2/202 (1%) controls, consistent with the frequency of AT carriers predicted from epidemiologic studies. ATM mutations were present in only 2/401 (0.5%) women with early onset of breast cancer (P = 0.6). We conclude that heterozygous ATM mutations do not confer genetic predisposition to early onset of breast cancer.

Prevalence of germ-line mutations in p16, p19ARF, and CDK4 in familial melanoma:analysis of a clinic-based population

Five to ten percent of individuals with melanoma have another affected family member, suggesting familial predisposition. Germ-line mutations in the cyclin-dependent kinase (CDK) inhibitor p16 have been reported in a subset of melanoma pedigrees, but their prevalence is unknown in more common cases of familial melanoma that do not involve large families with multiple affected members. We screened for germ-line mutations in p16 and in two other candidate melanoma genes, p19ARF and CDK4, in 33 consecutive patients treated for melanoma; these patients had at least one affected first or second degree relative (28 independent families). Five independent, definitive p16 mutations were detected (18%, 95% confidence interval: 6%, 37%), including one nonsense, one disease-associated missense, and three small deletions. No mutations were detected in CDK4. Disease-associated mutations in p19ARF, whose transcript is derived in part from an alternative codon reading frame of p16, were only detected in patients who also had mutations inactivating p16. We conclude that germ-line p16 mutations are present in a significant fraction of individuals who have melanoma and a positive family history.

Autosomal dominant retinitis pigmentosa:linkage to rhodopsin and evidence for genetic heterogeneity

Retinitis pigmentosa (RP) is the most prevalent human retinopathy of genetic origin. Chromosomal locations for X-linked RP and autosomal dominant RP genes have recently been established. Multipoint analyses with ADRP and seven markers on the long arm of chromosome 3 demonstrate that the gene for rhodopsin, the pigment of the rod photoreceptors, cosegregates with the disease locus with a maximum lod score of approximately 19, implicating rhodopsin as a causative gene. Recent studies have indicated the presence of a point mutation at codon 23 in exon 1 of rhodopsin which results in the substitution of histidine for the highly conserved amino acid proline, suggesting that this mutation is a cause of rhodopsin-linked ADRP. This mutation is not present in the Irish pedigree in which ADRP has been mapped close to rhodopsin. Another mutation in the rhodopsin gene or in a gene closely linked to rhodopsin may be involved. Moreover, the gene in a second ADRP pedigree, with Type II late onset ADRP, does not segregate with chromosome 3q markers, indicating that nonallelic as well as perhaps allelic genetic heterogeneity exists in the autosomal dominant form of this disease.

GTPase activity of dynamin and resulting conformation change are essential for endocytosis

Dynamin is a large GTPase with a relative molecular mass of 96,000 (Mr 96K) that is involved in clathrin-mediated endocytosis and other vesicular trafficking processes. Although its function is apparently essential for scission of newly formed vesicles from the plasma membrane, the nature of dynamin's role in the scission process is still unclear. It has been proposed that dynamin is a regulator (similar to classical G proteins) of downstream effectors. Here we report the analysis of several point mutants of dynamin's GTPase effector (GED) and GTPase domains. We show that oligomerization and GTP binding alone, by dynamin, are not sufficient for endocytosis in vivo. Rather, efficient GTP hydrolysis and an associated conformational change are also required. These data argue that dynamin has a mechanochemical function in vesicle scission.

Identification of novel Factor XI mutations in a patient requiring dental extractions

Factor XI is a serine protease that participates in the intrinsic pathway of blood coagulation. Patients deficient in factor XI exhibit varying degrees of post operative bleeding following invasive surgical procedures such as dental extractions. Objectives: The aim of the study was to identify the specific mutations in a patient from a family with known factor XI deficiency. Methods: Samples were obtained from the patient, his mother and his father and subjected to DNA sequencing. Each protein coding exon 2-15 of the factor XI gene was amplified by polymerase chain reaction (PCR) followed by bidirectional sequencing utilizing di-deoxy chain termination chemistry. Results: The patient had a factor XI level of 20% of normal. Initial sequencing of factor XI from the patient identified a point mutation (646G>A) and a putative splice site mutation (1567+4A>T) in intron 13. These are novel previously unreported mutations. DNA sequence analysis of the mother revealed the 1567+4A>T mutation and the father exhibited the 646G>A mutation. As a consequence the treatment proceeded without serious bleeding complication and required administration only of transexamic acid though factor XI was available as haemostatic cover. Conclusion: The two mutations identified in this family are novel; further laboratory investigation of the functional consequences of those mutations is currently underway. Although factor XI deficiency is rare in the Northern Irish population this study highlights the techniques available to sequence and analyse this and similar haematological disorders.

Differential requirements of aPKC activity within different epithelial tissues

Epithelial tissues are essential during morphogenesis and organogenesis. During development, epithelial tissues undergo several different remodeling processes, from cell intercalation to cell change shape. An epithelial cell has a highly polarized structure, which is important to maintain tissue integrity. The mechanisms that regulate and maintain apicobasal polarity and epithelial integrity are mostly conserved among all species and in different tissues within the same organism. aPKC-PAR complex localizes in the apical domain of polarized cells, and its function is essential for apicobasal polarization and epithelial integrity. In this work we characterized two novel alleles of aPKC: a temperature sensitive allele (aPKCTS), which has a point mutation on a kinase domain, and another allele with a point mutation on a highly conserved amino acid within the PB1 domain of aPKC (aPKCPB1). Analysis of the aPKCTS mutant phenotypes, lead us to propose that during development different epithelial tissues have differential requirements of aPKC activity. More specifically, our work suggests de novo formation of adherens junctions (AJs) is particularly sensitive to sub-optimal levels of apkc activity. Analysis of the aPKCPB1 allele, suggests that aPKC is likely to have an apical structural function mostly independent of its kinase activity. Altogether our work suggests that although loss of aPKC function is associated to similar epithelial phenotypes (e.g., loss of apicobasal polarization and epithelial integrity), the requirements of aPKC activity within these tissues are nevertheless likely to vary.

Transcriptional regulation of the mannosyltransferase-encoding gene pigm in inherited glycosylphosphatidylinositol (GPI) deficiency

RESUMO:O glicosilfosfatidilinositol (GPI) é um complexo glicolipídico utlizado por dezenas de proteínas, o qual medeia a sua ancoragem à superfície da célula. Proteínas de superfície celular ancoradas a GPI apresentam várias funções essenciais para a manutenção celular. A deficiência na síntese de GPI é o que caracteriza principalmente a deficiência hereditária em GPI, um grupo de doenças autossómicas raras que resultam de mutações nos genes PIGA, PIGL, PIGM, PIGV, PIGN, PIGO e PIGT, os quais sao indispensáveis para a biossíntese do GPI. Uma mutação pontual no motivo rico em GC -270 no promotor de PIGM impede a ligação do factor de transcrição (FT) Sp1 à sua sequência de reconhecimento, impondo a compactação da cromatina, associada à hipoacetilação de histonas, e consequentemente, impedindo a transcrição de PIGM. Desta forma, a adição da primeira manose ao GPI é comprometida, a síntese de GPI diminui assim como as proteínas ligadas a GPI à superficie das células. Pacientes com Deficiência Hereditária em GPI-associada a PIGM apresentam trombose e epilesia, e ausência de hemólise intravascular e anemia, sendo que estas duas últimas características definem a Hemoglobinúria Paroxística Nocturna (HPN), uma doença rara causada por mutações no gene PIGA. Embora a mutação que causa IGD seja constitutiva e esteja presente em todos os tecidos, o grau de deficiência em GPI varia entre células do mesmo tecido e entre células de tecidos diferentes. Por exemplo nos granulócitos e linfócitos B a deficiência em GPI é muito acentuada mas nos linfócitos T, fibroblastos, plaquetas e eritrócitos é aproximadamente normal, daí a ausência de hemólise intravascular. Os eventos transcricionais que estão na base da expressão diferencial da âncora GPI nas células hematopoiéticas são desconhecidos e constituem o objectivo geral desta tese. Em primeiro lugar, os resultados demonstraram que os níveis de PIGM mRNA variam entre células primárias hematopoiéticas normais. Adicionalmente, a configuração dos nucleossomas no promotor de PIGM é mais compacta em células B do que em células eritróides e tal está correlacionado com os níveis de expressão de PIGM, isto é, inferior nas células B. A presença de vários motivos de ligação para o FT específico da linhagem megacariocítica-eritróide GATA-1 no promotor de PIGM sugeriu que GATA-1 desempenha um papel regulador na sua transcrição. Os resultados mostraram que muito possivelmente GATA-1 desempenha um papel repressor em vez de activador da expressão de PIGM. Resultados preliminares sugerem que KLF1, um factor de transcrição restritamente eritróide, regula a transcrição de PIGM independentemente do motivo -270GC. Em segundo lugar, a investigação do papel dos FTs Sp demonstrou que Sp1 medeia directamente a transcrição de PIGM em ambas as células B e eritróide. Curiosamente, ao contrário do que acontece nas células B, em que a transcrição de PIGM requer a ligação do FT geral Sp1 ao motivo -270GC, nas células eritróides Sp1 regula a transcrição de PIGM ao ligar-se a montante e não ao motivo -270GC. Para além disso, demonstrou-se que Sp2 não é um regulador directo da transcrição de PIGM quer nas células B quer nas células eritróides. Estes resultados explicam a ausência de hemólise intravascular nos doentes com IGD associada a PIGM, uma das principais características que define a HPN. Por último, resultados preliminares mostraram que a repressão da transcrição de PIGM devida à mutação patogénica -270C>G está associada com a diminuição da frequência de interacções genómicas em cis entre PIGM e os seus genes “vizinhos”, sugerindo adicionalmente que a regulação de PIGM e desses genes é partilhada. No seu conjunto, os resultados apresentados nesta tese contribuem para o conhecimento do controlo transcricional de um gene housekeeping, específico-detecido, por meio de FTs genéricos e específicos de linhagem.-------------ABSTRACTC: Glycosylphosphatidylinositol (GPI) is a complex glycolipid used by dozens of proteins for cell surface anchoring. GPI-anchored proteins have various functions that are essential for the cellular maintenance. Defective GPI biosynthesis is the hallmark of inherited GPI deficiency (IGD), a group of rare autosomal diseases caused by mutations in PIGA, PIGL, PIGM, PIGV, PIGN, PIGO and PIGT, all genes indispensable for GPI biosynthesis. A point mutation in the -270GC-rich box in the core promoter of PIGM disrupts binding of the transcription factor (TF) Sp1 to it, imposing nucleosome compaction associated with histone hypoacetylation, thus abrogating transcription of PIGM. As a consequence of PIGM transcriptional repression, addition of the first mannose residue onto the GPI core and thus GPI production are impaired; and expression of GPI-anchored proteins on the surface of cells is severely impaired. Patients with PIGM-associated IGD suffer from life-threatening thrombosis and epilepsy but not intravascular haemolysis and anaemia, two defining features of paroxysmal nocturnal haemoglobinuria (PNH), a rare disease caused by somatic mutations in PIGA. Although the disease-causing mutation in IGD is constitutional and present in all tissues, the degree of GPI deficiency is variable and differs between cells of the same and of different tissues. Accordingly, GPI deficiency is severe in granulocytes and B cells but mild in T cells, fibroblasts, platelets and erythrocytes, hence the lack of intravascular haemolysis.The transcriptional events underlying differential expression of GPI in the haematopoietic cells of PIG-M-associated IGD are not known and constitute the general aim of this thesis. Firstly, I found that PIGM mRNA levels are variable amongst normal primary haematopoietic cells. In addition, the nucleosome configuration in the promoter of PIGM is more compacted in B cells than in erythroid cells and this correlated with the levels of PIGM mRNA expression, i.e., lower in B cells. The presence of several binding sites for GATA-1, a mega-erythroid lineage-specific transcription factor (TF), at the PIGM promoter suggested that GATA-1 has a role on PIGM transcription. My results showed that GATA-1 in erythroid cells is most likely a repressor rather than an activator of PIGM expression. Preliminary data suggested that KLF1, an erythroid-specific TF, regulates PIGM transcription but independently of the -270GC motif. Secondly, investigation of the role of the Sp TFs showed that Sp1 directly mediates PIGM transcriptional regulation in both B and erythroid cells. However, unlike in B cells in which active PIGM transcription requires binding of the generic TF Sp1 to the -270GC-rich box, in erythroid cells, Sp1 regulates PIGM transcription by binding upstream of but not to the -270GC-rich motif. Additionally, I showed that Sp2 is not a direct regulator of PIGM transcription in B and erythroid cells. These findings explain lack of intravascular haemolysis in PIGM-associated IGD, a defining feature of PNH. Lastly, preliminary work shows that transcriptional repression of PIG-M by the pathogenic -270C>G mutation is associated with reduced frequency of in cis genomic interactions between PIGM and its neighbouring genes, suggesting a shared regulatory link between these genes and PIGM. Altogether, the results presented in this thesis provide novel insights into tissuespecific transcriptional control of a housekeeping gene by lineage-specific and generic TFs.

Structure-function relationships of the alpha1b-adrenergic receptor.

The alpha1b-adrenergic receptor (AR) is a member of the large superfamily of seven transmembrane domain (TMD) G protein-coupled receptors (GPCR). Combining site-directed mutagenesis of the alpha1b-AR with computational simulations of receptor dynamics, we have explored the conformational changes underlying the process of receptor activation, i.e. the transition between the inactive and active states. Our findings suggest that the structural constraint stabilizing the alpha1b-AR in the inactive form is a network of H-bonding interactions amongst conserved residues forming a polar pocket and R143 of the DRY sequence at the end of TMDIII. We have recently reported that point mutations of D142, of the DRY sequence and of A293 in the distal portion of the third intracellular loop resulted in ligand-independent (constitutive) activation of the alpha1b-AR. These constitutively activating mutations could induce perturbations resulting in the shift of R143 out of the polar pocket. The main role of R143 may be to mediate receptor activation by triggering the exposure of several basic amino acids of the intracellular loops towards the G protein. Our investigation has been extended also to the biochemical events involved in the desensitization process of alpha1b-AR. Our results indicate that immediately following agonist-induced activation, the alpha1b-AR can undergo rapid agonist-induced phosphorylation and desensitization. Different members of the G protein coupled receptor kinase family can play a role in agonist-induced regulation of the alpha1b-AR. In addition, constitutively active alpha1b-AR mutants display different phosphorylation and internalization features. The future goal is to further elucidate the molecular mechanism underlying the complex equilibrium between activation and inactivation of the alpha1b-AR and its regulation by pharmacological substances. These findings can help to elucidate the mechanism of action of various agents displaying properties of agonists or inverse agonists at the adrenergic system.

Étude de la diversité génétique d’isolats québécois de Mycoplasma hyopneumoniae provenant d’infections simples ou mixtes et caractérisation de leur sensibilité aux antimicrobiens

Mycoplasma hyopneumoniae est l’agent causal de la pneumonie enzootique. On le retrouve dans plusieurs élevages de porcs à travers le monde. Même si ce micro-organisme est présent dans plusieurs troupeaux canadiens, peu d’informations sont présentement disponibles sur les isolats québécois. Un total de 160 poumons de porcs possédant des lésions de pneumonie ont été récupérés à l’abattoir, mis en culture et testés par PCR pour M. hyopneumoniae et Mycoplasma hyorhinis. D’autres pathogènes bactériens communs du porc et les virus du syndrome reproducteur et respiratoire porcin (VSRRP), de l’influenza et le circovirus porcin de type 2 (CVP2) ont été également testés. Quatre-vingt-dix pourcent des échantillons étaient positifs pour M. hyopneumoniae et 5.6% l’étaient seulement pour M. hyorhinis. Dans ces échantillons positifs pour M. hyopneumoniae, la concentration de ce mycoplasme variait de 1.17 x 105 à 3.37 x 109 génomes/mL. Vingt-cinq poumons positifs en culture ou par PCR en temps réel pour M. hyopneumoniae ont été sélectionnés, parmi ceux-ci 10 étaient en coinfection avec Pasteurella multocida, 12 avec Streptococcus suis, 9 avec CVP2 et 2 avec le VSRRP. Les analyses des nombres variables de répétitions en tandem à de multiples loci (MLVA) et PCR-polymorphisme de longueur de fragments de restriction (PCR-RFLP) de M. hyopneumoniae ont démontré une forte diversité des isolats de terrain. Par contre, il semble y avoir plus d’homogénéité à l’intérieur d’un même élevage. L’analyse MLVA a également démontré que près de la moitié des isolats possédaient moins de 55% d’homologie avec les souches vaccinales et de référence utilisées dans la présente étude. L’absence d’amplification du locus 1 de M. hyopneumoniae en MLVA a été significativement associée à une baisse de la concentration de bactérie et de la sévérité des lésions. Pour tous les isolats de M. hyopneumoniae, des concentrations minimales inhibitrices (CMI) de faibles à intermédiaires ont été obtenues envers tous les antimicrobiens testés. Les isolats possédant des CMI intermédiaires envers les tétracyclines, les macrolides et les lincosamides ont été testés pour la présence des gènes de résistance tetM, ermB et pour des mutations ponctuelles dans les gènes des protéines L4, L22 et de l’ARNr 23S. Aucun de ces gènes n’a été détecté mais la mutation ponctuelle G2057A a été identifiée. Cette mutation est responsable de la résistance intrinsèque de M. hyopneumoniae face aux macrolides à 14 carbones. Ces résultats indiquent qu’il ne semble pas y avoir de résistance acquise aux antimicrobiens parmi ces isolats. En conclusion, cette recherche a permis d’obtenir de nouvelles données scientifiques sur les isolats québécois de M. hyopneumoniae.

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.

Structure-fonction de MARCH1, une E3 ubiquitine ligase régulant la présentation antigénique par le CMH II

Les molécules classiques du CMH de classe II sont responsables de la présentation de peptides exogènes par les cellules présentatrices d’antigène aux lymphocytes T CD4+. Cette présentation antigénique est essentielle à l’établissement d’une réponse immunitaire adaptative. Cependant, la reconnaissance d’auto-antigènes ainsi que l’élimination des cellules du Soi sont des problèmes à l’origine de nombreuses maladies auto-immunes. Notamment, le diabète et la sclérose en plaque. D’éventuels traitements de ces maladies pourraient impliquer la manipulation de la présentation antigénique chez les cellules dont la reconnaissance et l’élimination engendrent ces maladies. Il est donc primordial d’approfondir nos connaissances en ce qui concerne les mécanismes de régulation de la présentation antigénique. La présentation antigénique est régulée tant au niveau transcriptionnel que post-traductionnel. Au niveau post-traductionnel, diverses cytokines affectent le processus. Parmi celles-ci, l’IL-10, une cytokine anti-inflammatoire, cause une rétention intracellulaire des molécules du CMH II. Son mécanisme d’action consiste en l’ubiquitination de la queue cytoplasmique de la chaîne bêta des molécules de CMH II. Cette modification protéique est effectuée par MARCH1, une E3 ubiquitine ligase dont l’expression est restreinte aux organes lymphoïdes secondaires. Jusqu’à tout récemment, il y avait très peu de connaissance concernant la structure et les cibles de MARCH1. Considérant son impact majeur sur la présentation antigénique, nous nous sommes intéressé à la structure-fonction de cette molécule afin de mieux caractériser sa régulation ainsi que les diverses conditions nécessaires à son fonctionnement. Dans un premier article, nous avons étudié la régulation de l’expression de MARCH1 au niveau protéique. Nos résultats ont révélé l’autorégulation de la molécule par formation de dimères et son autoubiquitination. Nous avons également démontré l’importance des domaines transmembranaires de MARCH1 dans la formation de dimères et l’interaction avec le CMH II. Dans un second article, nous avons investigué l’importance de la localisation de MARCH1 pour sa fonction. Les résultats obtenus montrent la fonctionnalité des motifs de localisation de la portion C-terminale de MARCH1 ainsi que la présence d’autres éléments de localisation dans la portion N-terminale de la protéine. Les nombreux mutants utilisés pour ce projet nous ont permis d’identifier un motif ‘‘VQNC’’, situé dans la portion cytoplasmique C-terminale de MARCH1, dont la valine est requise au fonctionnement optimal de la molécule. En effet, la mutation de la valine engendre une diminution de la fonction de la molécule et des expériences de BRET ont démontré une modification de l’orientation spatiale des queues cytoplasmiques. De plus, une recherche d’homologie de séquence a révélé la présence de ce même motif dans d’autres ubiquitines ligases, dont Parkin. Parkin est fortement exprimée dans le cerveau et agirait, entre autre, sur la dégradation des agrégats protéiques. La dysfonction de Parkin cause l’accumulation de ces agrégats, nommés corps de Lewy, qui entraînent des déficiences au niveau du fonctionnement neural observé chez les patients atteints de la maladie de Parkinson. La valine comprise dans le motif ‘’VQNC’’ a d’ailleurs été identifiée comme étant mutée au sein d’une famille où cette maladie est génétiquement transmise. Nous croyons que l’importance de ce motif ne se restreint pas à MARCH1, mais serait généralisée à d’autres E3 ligases. Ce projet de recherche a permis de caractériser des mécanismes de régulation de MARCH1 ainsi que de découvrir divers éléments structuraux requis à sa fonction. Nos travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes de contrôle de la présentation antigénique par les molécules de CMH II.

Rôle de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase et la production d'hydrogène chez la bactérie Rhodobacter capsulatus

L’azote est l’élément le plus abondant dans l’atmosphère terrestre avec un pourcentage atteignant 78 %. Composant essentiel pour la biosynthèse des matériels organiques cellulaires, il est inutilisable sous sa forme diatomique (N2) très stable par la plupart des organismes. Seules les bactéries dites diazotrophiques comme Rhodobacter capsulatus sont capables de fixer l’azote moléculaire N2 par le biais de la synthèse d’une enzyme, la nitrogénase. Cette dernière catalyse la réduction du N2 en ammonium (NH4) qui peut alors être assimilé par d’autres organismes. La synthèse et l’activité de la nitrogénase consomment beaucoup d’énergie ce qui implique une régulation rigoureuse et son inhibition tant qu’une quantité suffisante d’ammonium est disponible. Parmi les protéines impliquées dans cette régulation, la protéine d’intérêt AmtB est un transporteur membranaire responsable de la perception et le transport de l’ammonium. Chez R. capsulatus, il a été démontré que suite à l’addition de l’ammonium, l’AmtB inhibe de façon réversible (switch off/switch on) l’activité de la nitrogénase en séquestrant la protéine PII GlnK accompagnée de l’ajout d’un groupement ADP ribose sur la sous unités Fe de l’enzyme par DraT. De plus, la formation de ce complexe à lui seul ne serait pas suffisant pour cette inactivation, ce qui suggère la séquestration d’une troisième protéine, DraG, afin d’inhiber son action qui consiste à enlever l’ADP ribose de la nitrogénase et donc sa réactivation. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de l’AmtB dans la régulation et le transport de l’ammonium à un niveau moléculaire et par la même occasion la fixation de l’azote, le premier volet de ce mémoire a été d’introduire une mutation ponctuelle par mutagénèse dirigée au niveau du résidu conservé W237 de l’AmtB. La production d’hydrogène est un autre aspect longtemps étudié chez R. capsulatus. Cette bactérie est capable de produire de l’hydrogène à partir de composés organiques par photofermentation suite à l’intervention exclusive de la nitrogénase. Plusieurs études ont été entreprises afin d’améliorer la production d’hydrogène. Certaines d’entre elles se sont intéressées à déterminer les conditions optimales qui confèrent une production maximale de gaz tandis que d’autres s’intéressent au fonctionnement de la bactérie elle même. Ainsi, le fait que la bioproduction de H2 par fermentation soit catalysée par la nitrogénase cela implique la régulation de l’activité de cette dernière par différents mécanismes dont le switch off par ADP ribosylation de l’enzyme. De ce fait, un mutant de R. capsulatus dépourvu d’AmtB (DG9) a été étudié dans la deuxième partie de cette thèse en termes d’activité de la nitrogénase, de sa modification par ADP ribosylation avec la détection des deux protéines GlnK et DraG qui interviennent dans cette régulation pour connaitre l’influence de différents acides aminés sur la régulation de la nitrogénase et pour l‘utilisation future de cette souche dans la production d’H2 car R. capsulatus produit de l’hydrogène par photofermentation grâce à cette enzyme. Les résultats obtenus ont révélé une activité de la nitrogénase continue et ininterrompue lorsque l’AmtB est absent avec une activité maximale quand la proline est utilisée comme source d’azote durant la culture bactérienne ce qui implique donc que l’abolition de l’activité de cette protéine entraine une production continue d’H2 chez R. capsulatus lorsque la proline est utilisée comme source d’azote lors de la culture bactérienne. Par ailleurs, avec des Western blots on a pu déterminer l’absence de régulation par ADP ribosylation ainsi que les expressions respectives de GlnK et DraG inchangées entre R. capsulatus sauvage et muté. En conclusion, la nitrogénase n’est pas modifiée et inhibée lorsque l’amtB est muté ce qui fait de la souche R. capsulatus DG9 un candidat idéal pour la production de biohydrogène en particulier lorsque du glucose et de la proline sont respectivement utilisés comme source de carbone et d'azote pour la croissance.

Untersuchungen zur Biofilmbildung bei dem klinischen Isolat Enterococcus faecalis 1.10

In der vorliegenden Arbeit wurde die Biofilmbildung bei einem klinischen Isolat von Enterococcus faecalis untersucht. Der Prozess der Biofilmbildung ist in mehrere Abschnitte unterteilt und beinhaltet zu Beginn eine Anhaftung von Zellen an Oberflächen. Dieser adhäsive Schritt wird unter anderem durch Pili vermittelt. Pili bei Grampositiven Mikroorganismen sind kovalent mit der Zellwand verknüpfte Proteinstrukturen, die eine Anheftung an biotische und abiotische Oberflächen sowie den Zell-Zell-Kontakt vermitteln. Bei den Analysen dieser Doktorarbeit lag ein besonderes Interesse bei eben diesen Pili, die für Enterococcus faecalis die Namen Ebp (endocarditis and biofilm associated pili) und Bee (biofilm enhancer in enterococci) tragen. Codiert werden sie durch die entsprechenden ebp-/bee-Loci, deren Aufbau unter den Grampositiven Mikroorganismen hochkonserviert ist. Die Loci bestehen aus Pilusuntereinheiten-codierenden Genen und colokalisierten Pilus-spezifischen Sortase Genen. Während in der Regel drei verschiedene Pilusuntereinheiten vorliegen, kann die Anzahl der Sortasen zwischen einer und zwei variieren. Bei den Experimenten wurde neben einer Komplementationsstudie zu einer Bee-Pilus Defekt-Mutante (1.10.16) das Hauptaugenmerk auf die Analyse des zweiten Pilus (Ebp) gelegt, um die Pilisituation bei Isolat 1.10 im Detail darzustellen Zusätzlich sollten weitere Oberflächenassoziierte Proteinstrukturen bei Isolat 1.10 detektiert werden, die gegebenenfalls an der Biofilmbildung beteiligt sind. Weitere Versuche zur Charakterisierung des Bee-Pilus wurden im Laufe dieser Arbeit durchgeführt, blieben jedoch bisher erfolglos. Die Biofilm-/Pilus-Defekt-Mutante 1.10.16 zeigte aufgrund einer Punktmutation (Pm) in der Pilus-spezifischen Sortase 1 des bee-Locus eine geschwächte Fähigkeit zur Anheftung an abiotische Oberflächen, sowie das Fehlen der Bee2 Untereinheit im Pilus. Nach Komplementation der Mutante (1.10.16K) mit dem Wildtyp-srt1 Gen, wurde die starke Biofilmbildungsfähigkeit zurück erlangt. Die Experimente zeigten, dass der Pilus-Defekt auf die Pm im srt1 Gen zurückzuführen war und der Bee-Pilus in Stamm 1.10.16K wieder korrekt gebildet wurde. Zu sehen war dies in Rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen und ebenfalls im massenspektrometrischen Nachweis aller 3 Pilusuntereinheiten im Bee-Pilus charakteristischen High-Molecular-Weight Komplex (~ 250 kDa). Durch Sequenzierungen konnte gezeigt werden, dass zwei Gene des ebp-Locus (ebpR und ebpC) bei Isolat 1.10 durch die Insertion von IS-Elementen IS1062 und IS6770 inaktiviert wurden. Der proteinbiochemische Nachweis über Pilusspezifische Antikörper gegen die Untereinheiten des Ebp-Pilus verlief negativ. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die mRNA der beiden inaktivierten Gene nicht gebildet wurde. Dies führte folglich zum vollständigen Verlust des Ebp-Pilus bei Isolat 1.10. Zusammen mit den Ergebnissen der Komplementation konnte somit der große Einfluss mindestens eines intakten Pilus auf die Biofilmbildung gezeigt werden. Sind beide Pili durch Insertionen bzw. Mutationen inaktiviert, kommt es zu einer deutlichen Abnahme der Biofilmbildungsstärke. Dass trotzdem noch ein Biofilm gebildet wurde, zeigt den multifaktoriellen Zusammenhang bzw. Einfluss im Biofilmbildungsprozess. Über das gezielte Markieren von Oberflächenproteinen intakter Zellen mittels der Oberflächenbiotinylierung, konnten in der SDS-PAGE Unterschiede im Bandenmuster im Vergleich zur unbehandelten Probe erkannt werden. Die massenspektrometrische Identifikation dieser Proteine erfolgte bisher nicht, jedoch sind diese vorläufigen Ergebnisse vielversprechender Natur für die Identifikation und Aufklärung der Oberflächenproteinsituation bei Isolat 1.10.