A century of research: what have we learned about the interaction of Trypanosoma cruzi with host cells?

Since the discovery of Trypanosoma cruzi and the brilliant description of the then-referred to "new tripanosomiasis" by Carlos Chagas 100 years ago, a great deal of scientific effort and curiosity has been devoted to understanding how this parasite invades and colonises mammalian host cells. This is a key step in the survival of the parasite within the vertebrate host, and although much has been learned over this century, differences in strains or isolates used by different laboratories may have led to conclusions that are not as universal as originally interpreted. Molecular genotyping of the CL-Brener clone confirmed a genetic heterogeneity in the parasite that had been detected previously by other techniques, including zymodeme or schizodeme (kDNA) analysis. T. cruzi can be grouped into at least two major phylogenetic lineages: T. cruzi I, mostly associated with the sylvatic cycle and T. cruzi II, linked to human disease; however, a third lineage, T. cruziIII, has also been proposed. Hybrid isolates, such as the CL-Brener clone, which was chosen for sequencing the genome of the parasite (Elias et al. 2005, El Sayed et al. 2005a), have also been identified. The parasite must be able to invade cells in the mammalian host, and many studies have implicated the flagellated trypomastigotes as the main actor in this process. Several surface components of parasites and some of the host cell receptors with which they interact have been described. Herein, we have attempted to identify milestones in the history of understanding T. cruzi- host cell interactions. Different infective forms of T. cruzi have displayed unexpected requirements for the parasite to attach to the host cell, enter it, and translocate between the parasitophorous vacuole to its final cytoplasmic destination. It is noteworthy that some of the mechanisms originally proposed to be broad in function turned out not to be universal, and multiple interactions involving different repertoires of molecules seem to act in concert to give rise to a rather complex interplay of signalling cascades involving both parasite and cellular components.

Structural organization of Trypanosoma cruzi

Since the initial description of Trypanosoma cruzi by Carlos Chagas in 1909, several research groups have used different microscopic techniques to obtain detailed information about the various developmental stages found in the life cycle of this intracellular parasite. This review describes the present knowledge on the organization of the most important structures and organelles found in the protozoan, such as the cell surface, flagellum, cytoskeleton, kinetoplast-mitochondrion complex, glycosome, acidocalcisome, contractile vacuole, lipid inclusions, the secretory pathway, endocytic pathway and the nucleus.

Characterisation of "fou2", a constitutive wound-activated mutant and analysis of the proteome and leaf physiology in the region proximal to wounds in Arabidopsis

Résumé : Les jasmonates (JA), une famille d'hor1none végétale, jouent un rôle central dans la réponse à la blessure, et aux attaques d'insectes et de pathogènes. Les JA sont principalement dérivés d'un acide gras, l'acide linolénique. L'addition par une lipoxygénase d'une molécule d'oxygène à l'acide linolénique initie la synthèse de JA. Cependant les mécanismes régulant l'activation de la biosynthèse de JA ne sont pas encore connus. C'est pour cette raison que dans ce travail, nous avons caractérisé chez Arabidopsis thaliana (l'Arabette des Dames) un mutant fou2 dont l'activité lipoxygénase est plus élevée que celle d'une plante sauvage. Les niveaux de JA sont constitutivement plus élevés et l'activation de la synthèse de JA après blessure est fortement plus induite chez fou2 que chez le type sauvage. En outre, fou2 est plus résistant au pathogène Botrytis cinerea et à la chenille Spodoptera littoralis. Afin de comprendre quel mécanisme chez fou2 génére ce phénotype, nous avons cloné le gène responsable du phénotype de fou2. Le mutant fou2 porte une mutation dans le gène d'un canal à deux pores transportant probablement du potassium, du lumen de la vacuole végétale vers le compartiment cytosolique. L'analyse du protéome de fou2 a permis d'identifier une expression plus élevée de sept protéines régulées par les JA ou le stress. La découverte de l'implication d'un canal dans le phénotype de fou2 renforce l'hypothèse que les flux de cations pourraient être impliqués dans les étapes précoces de la synthèse des JA. Nous avons également étudié le protéome et la physiologie d'une feuille blessée, Pour évaluer les changements d'expression protéique en réponse à la blessure et contrôlés par les JA, nous avons quantifié l'expression de 5937 protéines chez une plante d'Arabidopsis sauvage et chez un mutant incapable de synthétiser des JA. Parmi ces 5937 protéines, nous avons identifié 99 protéines régulées par la blessure chez le type sauvage. Nous avons observé pour 65% des protéines dont l'expression protéique changeait après blessure une bonne corrélation entre la quantité de transcrits et de protéines. Plusieurs enzymes de la voie des chorismates impliquées dans la biosynthèse des acides aminés phénoliques étaient induites par les JA après blessure. Une quantification des acides aminés a montré que les niveaux d'acides aminés phénoliques augmentaient significativement après blessure. La blessure induisait aussi des changements dans l'expression de protéines impliquées dans la réponse au stress et particulièrement au stress oxydatif. Nous avons quantifié l'état réduit et oxydé du glutathion, un tripeptide qui, sous sa forme réduite, est l'antioxydant majeur des cellules. Nous avons trouvé une quantité significativement plus élevée de glutathion oxydé chez le type sauvage blessé que chez la plante aus blessée. Ce résultat suggère que la génération d'un stress oxydatif et la proportion relative de glutathions réduits et oxydés sont contrôlés par les JA après blessure. Abstract : Plants possess a family of potent fatty acid-derived wound-response and developmental regulators: the jasmonates. These compounds are derived from the tri?unsaturated fatty acid a-linolenic-acid (18:3). Addition of an oxygen molecule to 18:3 by 13-lipoxygenases (13-LOX) initiates JA biosynthesis. Actually components regulating the activation of JA biosynthesis are poorly defined. Therefore we characterized in Arabidopsis thaliana the fatty acid Qxygenation upregulated 2 (fou2) mutant, which was previously isolated in a screen for mutants with an enhanced 13-LOX activity. As a consequence of this increased 13-LOX activity, JA levels in fou2 are higher than in wild type (WT) and wounding strongly increased JA biosynthesis compared to WT. fou2 was more resistant to the fungus Botrytis cinerea and the generalist caterpillar Spodaptera littomlis, The fou2 mutant carries a missense mutation in the Two Pore Channel 1 gene (TPCJ), which encodes a vacuolar cation channel transporting probably K* into the cytosol. Patchclamp analysis of fou2 vacuolar membranes showed faster time-dependent conductivity and activation of the mutated channel at lower membrane potentials than wild-type. Proteomic analysis of fou2 leaves identified increased levels of seven biotic stress- and JA- inducible proteins. The discovery of the implication of a channel in the fou2 phenotype strenghtens the hypothesis that cation fluxes might be implicated in early steps of JA synthesis. We further concentrated on the proteome and leaf physiology in the region proximal to wounds in Arabidopsis using the WT and the aos JA-biosynthesis deficient mutant in order to find JA- induced proteins changes. We used two successive proteomic methods to assess protein changes in response to wounding Arabidopsis leaves, two dimensional electrophoresis (2DE) and linear trap quadrupole ion-trap mass spectrometry. In total 5937 proteins were quantified. We identified 99 wound-regulated proteins in the WT. Most these proteins were also wound-regulated at the transcript level showing a good correlation between transcript and protein abundance. We identified several wound-regulated enzymes involved in amino acid biosynthesis and confirmed this result by amino acid quantification. Proteins involved in stress reponses were upregulated, particularly in redox species regulation. We found a significantly higher quantity of oxidized glutathione in wounded WT relative to wounded aos leaves. This result suggests that levels of reduced glutathione are controlled by JA after wounding.

To Monty Kier, a friendly tribute.

In 2008 we published the first set of guidelines for standardizing research in autophagy. Since then, research on this topic has continued to accelerate, and many new scientists have entered the field. Our knowledge base and relevant new technologies have also been expanding. Accordingly, it is important to update these guidelines for monitoring autophagy in different organisms. Various reviews have described the range of assays that have been used for this purpose. Nevertheless, there continues to be confusion regarding acceptable methods to measure autophagy, especially in multicellular eukaryotes. A key point that needs to be emphasized is that there is a difference between measurements that monitor the numbers or volume of autophagic elements (e.g., autophagosomes or autolysosomes) at any stage of the autophagic process vs. those that measure flux through the autophagy pathway (i.e., the complete process); thus, a block in macroautophagy that results in autophagosome accumulation needs to be differentiated from stimuli that result in increased autophagic activity, defined as increased autophagy induction coupled with increased delivery to, and degradation within, lysosomes (in most higher eukaryotes and some protists such as Dictyostelium) or the vacuole (in plants and fungi). In other words, it is especially important that investigators new to the field understand that the appearance of more autophagosomes does not necessarily equate with more autophagy. In fact, in many cases, autophagosomes accumulate because of a block in trafficking to lysosomes without a concomitant change in autophagosome biogenesis, whereas an increase in autolysosomes may reflect a reduction in degradative activity. Here, we present a set of guidelines for the selection and interpretation of methods for use by investigators who aim to examine macroautophagy and related processes, as well as for reviewers who need to provide realistic and reasonable critiques of papers that are focused on these processes. These guidelines are not meant to be a formulaic set of rules, because the appropriate assays depend in part on the question being asked and the system being used. In addition, we emphasize that no individual assay is guaranteed to be the most appropriate one in every situation, and we strongly recommend the use of multiple assays to monitor autophagy. In these guidelines, we consider these various methods of assessing autophagy and what information can, or cannot, be obtained from them. Finally, by discussing the merits and limits of particular autophagy assays, we hope to encourage technical innovation in the field.

Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy.

In 2008 we published the first set of guidelines for standardizing research in autophagy. Since then, research on this topic has continued to accelerate, and many new scientists have entered the field. Our knowledge base and relevant new technologies have also been expanding. Accordingly, it is important to update these guidelines for monitoring autophagy in different organisms. Various reviews have described the range of assays that have been used for this purpose. Nevertheless, there continues to be confusion regarding acceptable methods to measure autophagy, especially in multicellular eukaryotes. A key point that needs to be emphasized is that there is a difference between measurements that monitor the numbers or volume of autophagic elements (e.g., autophagosomes or autolysosomes) at any stage of the autophagic process vs. those that measure flux through the autophagy pathway (i.e., the complete process); thus, a block in macroautophagy that results in autophagosome accumulation needs to be differentiated from stimuli that result in increased autophagic activity, defined as increased autophagy induction coupled with increased delivery to, and degradation within, lysosomes (in most higher eukaryotes and some protists such as Dictyostelium) or the vacuole (in plants and fungi). In other words, it is especially important that investigators new to the field understand that the appearance of more autophagosomes does not necessarily equate with more autophagy. In fact, in many cases, autophagosomes accumulate because of a block in trafficking to lysosomes without a concomitant change in autophagosome biogenesis, whereas an increase in autolysosomes may reflect a reduction in degradative activity. Here, we present a set of guidelines for the selection and interpretation of methods for use by investigators who aim to examine macroautophagy and related processes, as well as for reviewers who need to provide realistic and reasonable critiques of papers that are focused on these processes. These guidelines are not meant to be a formulaic set of rules, because the appropriate assays depend in part on the question being asked and the system being used. In addition, we emphasize that no individual assay is guaranteed to be the most appropriate one in every situation, and we strongly recommend the use of multiple assays to monitor autophagy. In these guidelines, we consider these various methods of assessing autophagy and what information can, or cannot, be obtained from them. Finally, by discussing the merits and limits of particular autophagy assays, we hope to encourage technical innovation in the field.

"In vitro" reconstitution of the fragmentation of vacuoles

Résumé La fragmentation des membranes est un processus commun à beaucoup d'organelles dans une cellule. Les mitochondries, le noyau, le réticulum endoplasmique, les phagosomes, les peroxisomes, l'appareil de Golgi et les lysosomes (vacuoles chez la levure) se fragmentent en plusieurs copies en réponse à des sitmulis environnementaux, tels que des stresses, ou dans une situtation normale durant le cycle cellulaire, afin d' être transférer dans les cellules filles. La fragmentation des membranes est également observée pendant le processus d'endocytose, lors de la formation de vésicules endocytiques, mais également dans tout le traffic intracellulaire, lors de la genèse d'une vésicule de transport. Le processus de fragmentation est donc généralement important. La découverte en 1991 d'une dynamin-like GTPase comme protéine impliquée dans la fragmentation de la membrane plasmique durant l'endocytose a ouvert ce domaine de recherche. Dès lors des dynamines ont été découvertes sur la pluspart des organelles, ce qui suggère un processus de fragmentation des membranes commun à l'ensemble de la cellule. Cependant, l'ensemble des protéines impliquées ainsi que le mécanisme de la fragmentation reste encore à élucider. Mon projet de thèse était d'établir un test in vitro de fragmentation des vacuoles utile à la compréhension du mécanisme de ce processus. Le choix de ce système est judicieux pour plusieurs raisons; premièrement les vacuoles fragmentent naturellement durant le cycle cellulaire, deuxièment leur taille permet de visualiser facilement leur morphologie par simple microscopie optique, finalement elles peuvent être isolées en quantité intéressante avec un haut degré de pureté. In vivo, les vacuoles peuvent être facilement fragmentées par un stress osmotique. Un tel test permet d'identifier des protéines impliquées dans le mécanisme comme dans le criblage que j'ai effectué sur l'ensemble de la collection de délétions des gènes non-essentiels chez la levure. Cependant un test in vitro est ensuite indispensable pour jouer avec les protéines découvertes afin d'en élucider le mécanisme. Avec mon test in vitro, j'ai confirmé l'implication des protéines SNAREs dans la fragmentation et j'ai permis de comprendre la régulation de la quantité de vacuoles et de leur taille par le complexe TORC1 dans une situation de stress. 7 Résumé large public Les cellules de chaque organisme sont composées de différents compartiments appelés organelles. Chacun possède une fonction bien définie afin de permettre la vie et la croissance de la cellule. Ils sont entourés de membrane, qui joue le role de barrière spécifiquement perméable, afin de garder l'intégrité de chacun. Dans des conditions de croissance normale, les cellules prolifèrent. Durant la division cellulaire amenant à la formation d'une nouvelle cellule, chaque organelle doit se diviser afin de fournir l'ensemble des organelles à la cellule fille. La division de chaque organelle nécessite la fragmentation de la membrane les entourant. Des protéines dynamine-like GTPase ont été découvertes sur presque l'ensemble des organelles d'une cellule. Elles sont impliquées dans les processus de fragmentation des membranes. Dès lors l'idée d'un mécanisme commun est apparu. Cependant cette réaction, par sa complexité, ne peut pas impliquer une protéine unique. La découverte d'autres facteurs et la compréhension du mécanisme reste à faire. La première étape peut se faire par étude in vivo, c'est-à-dire avec des cellules entières, la deuxième étape, quant à elle, nécessite d'isoler les protéines impliquées et de jouer avec les différents paramètres, ce qui signifie donc un travail in vitro, séparé des cellules. Mon travail a constisté à établir un procédé expérimental in vitro pour étudier la fragmentation des membranes. Je travaille avec des vacuoles de levures pour étudier les réactions membranaires. Les vacuoles sont les plus grandes organelles présentes dans les levures. Elles sont impliquées principalement dans la digestion. Comme toute organelle, elles se fragmentent durant la division cellulaire. Le procédé expérimental comporte une première étape, l'isolation des vacuoles et, deuxièmement, l'incubation de celles-ci avec des composés essentiels à la réaction. En parallèle, j'ai mis en évidence, par un travail in vivo, de nouvelles protéines impliquées dans le processus de fragmentation des membranes. Ceci a été fait en réalisant un criblage par microscopie d'une collection de mutants. Parmi ces mutants, j'ai cherché ceux qui présentaient un défaut dans la fragmentation des vacuoles. Ces deux procédés expérimentaux, in vitro et in vivo, m'ont permis de découvrir de nouvelles protéines impliquées dans cette réaction, ainsi que de mettre en évidence un mécanisme utlilisé par la cellule pour réguler la fragmentation des vacuoles. 8 Summary Fragmentation of membranes is common for many organelles in a cell. Mitochondria, nucleus, endoplasmic reticulum, phagosomes, peroxisomes, Golgi and lysosomes (vacuoles in yeast) fragment into multiple copies in response to environmental stimuli, such as stresses, or in a normal situation during the cell cycle in order to be transferred into the daughter cell. Fragmentation of membrane occurs during endocytosis, at the latest step in endocytic vesicle formation, and also in intracellular trafficking, when traffic vesicles bud. This field of research was opened in 1991 when a dynamin-like GTPase was found to be involved in fragmentation of the plasma membrane during endocytosis. Since dynamin-like GTPases have been found on most organelles, similarities in their mechanisms of fragmentation might exist. However, many proteins involved in the mechanism of fragmentation remain unknown. My thesis project was to establish an in vitro assay for membrane fragmentation in order to create a tool to study the mechanism of this process. I chose vacuoles as a model organelle for several reasons: first of all, vacuoles fragment under physiological conditions during cell cycle, secondly their size makes their morphology easily visible under the light microscope, and finally vacuoles can be isolated in good amounts with relatively high degrees of purity. In vivo, vacuole fragmentation can be induced with an osmotic shock. Such a simple assay facilitates the identification of new proteins involved in the process. I used this tool to screen of the entire knockout collection of non-essential genes in Saccharomyces cerevisiae for mutants defective in vacuole fragmentation. The in vitro system will be useful to characterize the mutants and to study the mechanism of fragmentation in detail. I used my in vitro assay to confirm the involvement of vacuolar SNARE proteins in fragmentation of the organelle and to uncover that number and size of vacuoles in the cell is regulated by the TORC1 complex via selective stimulation of fragmentation activity.

Early intracellular trafficking of Waddlia chondrophila in human macrophages.

Waddlia chondrophila is an obligate intracellular bacterium considered as a potential agent of abortion in both humans and bovines. This member of the order Chlamydiales multiplies rapidly within human macrophages and induces lysis of the infected cells. To understand how this Chlamydia-like micro-organism invades and proliferates within host cells, we investigated its trafficking within monocyte-derived human macrophages. Vacuoles containing W. chondrophila acquired the early endosomal marker EEA1 during the first 30 min following uptake. However, the live W. chondrophila-containing vacuoles never co-localized with late endosome and lysosome markers. Instead of interacting with the endosomal pathway, W. chondrophila immediately co-localized with mitochondria and, shortly after, with endoplasmic reticulum- (ER-) resident proteins such as calnexin and protein disulfide isomerase. The acquisition of mitochondria and ER markers corresponds to the beginning of bacterial replication. It is noteworthy that mitochondrion recruitment to W. chondrophila inclusions is prevented only by simultaneous treatment with the microtubule and actin cytoskeleton-disrupting agents nocodazole and cytochalasin D. In addition, brefeldin A inhibits the replication of W. chondrophila, supporting a role for COPI-dependent trafficking in the biogenesis of the bacterial replicating vacuole. W. chondrophila probably survives within human macrophages by evading the endocytic pathway and by associating with mitochondria and the ER. The intracellular trafficking of W. chondrophila in human macrophages represents a novel route that differs strongly from that used by other members of the order Chlamydiales.

Regulation of insulin secretion by phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate.

The role of PIP(2) in pancreatic beta cell function was examined here using the beta cell line MIN6B1. Blocking PIP(2) with PH-PLC-GFP or PIP5KIgamma RNAi did not impact on glucose-stimulated secretion although susceptibility to apoptosis was increased. Over-expression of PIP5KIgamma improved cell survival and inhibited secretion with accumulation of endocytic vacuoles containing F-actin, PIP(2), transferrin receptor, caveolin 1, Arf6 and the insulin granule membrane protein phogrin but not insulin. Expression of constitutively active Arf6 Q67L also resulted in vacuole formation and inhibition of secretion, which was reversed by PH-PLC-GFP co-expression. PIP(2) co-localized with gelsolin and F-actin, and gelsolin co-expression partially reversed the secretory defect of PIP5KIgamma-over-expressing cells. RhoA/ROCK inhibition increased actin depolymerization and secretion, which was prevented by over-expressing PIP5KIgamma, while blocking PIP(2) reduced constitutively active RhoA V14-induced F-actin polymerization. In conclusion, although PIP(2) plays a pro-survival role in MIN6B1 cells, excessive PIP(2) production because of PIP5KIgamma over-expression inhibits secretion because of both a defective Arf6/PIP5KIgamma-dependent endocytic recycling of secretory membrane and secretory membrane components such as phogrin and the RhoA/ROCK/PIP5KIgamma-dependent perturbation of F-actin cytoskeleton remodelling.

Phosphate forms in plant and their internal buffering in five soybean cultivars

Differences among plants in their ability to support nutritional stress periods may be caused by a differential vacuole capacity of ion storage and release and may also depend on the intensity of nutrient re-translocation under such conditions. In five soybean cultivars, submitted to eight days of P deprivation, the dry matter production and the contents of three phosphorus (P) forms - inorganic (Pi), organic (Po), and acid-soluble total (Pts) of different plant organs were determined. Pi release velocity (RSPi) was estimated as the tangent to the equations obtained for Pi f(t) at the point t = 2 days (the mean point in the period of greatest Pi decrease), considering that -deltaPi/deltat expresses the rate of Pi release. The internal Pi buffering capacity (IBCPi) was calculated as the inverse of the RSPi. Cultivars' differences in size of the non-metabolic Pi pool, RSPi, and the ability to transport Pi from less to more actively metabolizing regions were evaluated. The preferential Pi source and sink compartments under limited P absorption conditions were also evaluated. The cultivar Santa Rosa showed the highest Pi storage ability when the external supply was high, and a more intensive release under low P supply conditions than IAC8 and UFV1. The cultivar Uberaba was superior to Doko in its ability to store and use Pi. In all cultivars, upper leaves and roots were the main sink of Pi stored in the middle and lower leaves. Roots and upper leaves showed larger RSPi and lower IBCPi values than middle and lower leaves.

Coupled synthesis and translocation restrains polyphosphate to acidocalcisome-like vacuoles and prevents its toxicity.

Eukaryotes contain inorganic polyphosphate (polyP) and acidocalcisomes, which sequester polyP and store amino acids and divalent cations. Why polyP is sequestered in dedicated organelles is not known. We show that polyP produced in the cytosol of yeast becomes toxic. Reconstitution of polyP translocation with purified vacuoles, the acidocalcisomes of yeast, shows that cytosolic polyP cannot be imported, whereas polyP produced by the vacuolar transporter chaperone (VTC) complex, an endogenous vacuolar polyP polymerase, is efficiently imported and does not interfere with growth. PolyP synthesis and import require an electrochemical gradient, probably as a driving force for polyP translocation. VTC exposes its catalytic domain to the cytosol and carries nine vacuolar transmembrane domains. Mutations in the VTC transmembrane regions, which are likely to constitute the translocation channel, block not only polyP translocation but also synthesis. Given that they are far from the cytosolic catalytic domain of VTC, this suggests that the VTC complex obligatorily couples synthesis of polyP to its import in order to avoid toxic intermediates in the cytosol. Sequestration of otherwise toxic polyP might be one reason for the existence of acidocalcisomes in eukaryotes.

Differential phosphoproteomics of fragmenting yeast vacuoles

Many organelles exist in an equilibrium of fragmentation into smaller units and fusion into larger structures, which is coordinated with cell division, the increase in cell mass, and envi¬ronmental conditions. In yeast cells, organelle homeostasis can be studied using the yeast vacuole (lysosome) as a model system. Yeast vacuoles are the main compartment for degrada¬tion of cellular proteins and storage of nutrients, ions and metabolites. Fission and fusion of vacuoles can be induced by hyper- and hypotonic shock in vivo, respectively, and have also been reconstituted in vitro using isolated vacuoles. The conserved serine/threonine kinase TOR (target of rapamycin) is a central nutrient sensor and regulates cell growth and metabolism. In yeast, there are two TOR proteins, Torlp and Tor2p, which are part of larger protein complexes, TORCI and TORC2. Only TORCI is rapamycin-sensitive. Disregulation of TOR signaling is linked to a multitude of diseases in humans, e.g. cancer, neurodegenerative diseases and metabolic syndrome. It has been shown that TORCI localizes to the vacuole membrane, and recent findings of our laboratory demonstrated that TORCI positively regulates vacuole fragmentation. This suggests that the fragmentation machinery should contain target proteins phosphorylated by TORCI. I explored the rapamycin-and fission-dependent vacuolar phosphoproteome during frag¬mentation, using a label-free mass-spectrometry approach. I identified many vacuolar factors whose phosphorylation was downregulated in a TORCI- and fission-dependent manner. Among them were known protein complexes that are functionally linked to fission or fusion, like the HOPS, VTC and FAB1 complexes. Hence, TORCI-dependent phosphorylations might positively regulate vacuole fission. Several candidates were chosen for detailed microscopic analysis of in vivo vacuole frag-mentation, using deletion mutants. I was able to identify novel factors not previously linked to fission phenotypes, e.g. the SEA complex, Pib2, and several vacuolar amino acid transporters. Transport of neutral and basic amino acids across the membrane seems to control vacuole fission, possibly via TORCI. I analyzed vacuolar fluxes of amino acids in wildtype yeast cells and found evidence for a selective vacuolar export of basic amino acids upon hyperosmotic stress. This leads me to propose a model where vacuolar export of amino acids is necessary to reshape the organelle under salt stress. - Le nombre et la taille de certaines organelles peut être déterminé par un équilibre entre la fragmentation qui produit des unités plus petites et la fusion qui génère des structures plus larges. Cet équilibre est coordonné avec la division cellulaire, l'augmentation de la masse cellulaire, et les conditions environnementales. Dans des cellules de levure, l'homéostasie des organelles peut être étudié à l'aide d'un système modèle, la vacuole de levure (lysosome). Les vacuoles constituent le principal compartiment de la dégradation des protéines et de stockage des nutriments, des ions et des métabolites. La fragmentation et la fusion des vacuoles peuvent être respectivement induites par un traitement hyper- ou hypo-tonique dans les cellules vivantes. Ces processus ont également été reconstitués in vitro en utilisant des vacuoles isolées. La sérine/thréonine kinase conservée TOR (target of rapamycin/cible de la rapamycine) est un senseur de nutriments majeur qui régule la croissance cellulaire et le métabolisme. Chez la levure, il existe deux protéines TOR, Torlp et Tor2p, qui sont les constituants de plus grands complexes de protéines, TORCI et TORC2. TORCI est spécifiquement inhibé par la rapamycine. Une dysrégulation de la signalisation de TOR est liée à une multitude de maladies chez l'homme comme le cancer, les maladies neurodégénératives et le syndrome métabolique. Il a été montré que TORCI se localise à la membrane vacuolaire et les découvertes récentes de notre laboratoire ont montré que TORCI régule positivement la fragmentation de la vacuole. Ceci suggère que le mécanisme de fragmentation doit être contrôlé par la phosphorylation de certaines protéines cibles de TORCI. J'ai exploré le phosphoprotéome vacuolaire lors de la fragmentation, en présence ou absence de rapamycine et dans des conditions provoquant la fragmentation des organelles. La méthode choisie pour réaliser la première partie de ce projet a été la spectrométrie de masse différentielle sans marquage. J'ai ainsi identifié plusieurs facteurs vacuolaires dont la phosphorylation est régulée d'une manière dépendante de TORCI et de la fragmentation. Parmi ces facteurs, des complexes protéiques connus qui sont fonctionnellement liées à fragmentation ou la fusion, comme les complexes HOPS, VTC et FAB1 ont été mis en évidence. Par conséquent, la phosphorylation dépendante de TORCI peut réguler positivement la fragmentation des vacuoles. Plusieurs candidats ont été choisis pour une analyse microscopique détaillée de la fragmentation vacuolaire in vivo en utilisant des mutants de délétion. J'ai été en mesure d'identifier de nouveaux facteurs qui n'avaient pas été encore associés à des phénotypes de fragmentation tels que les complexes SEA, Pib2p, ainsi que plusieurs transporteurs vacuolaires d'acides aminés. Le transport des acides aminés à travers la membrane semble contrôler la fragmentation de la vacuole. Puisque ces transporteurs sont phosphorylés par TORCI, ces résultats semblent confirmer la

Insights into the molecular machinery of piecemeal microautophagy of the nucleus in "Saccharomyces cerevisiae"

Résumé : La microautophagie du noyau est un processus découvert chez la levure S. cerevisiae qui vise la dégradation de portions nucléaires dans la lumière vacuolaire. Ce processus appelé PMN (de l'anglais Piecemeal Microautophagy of the Nucleus) est induit dans des conditions de stress cellulaire comme la privation de nutriments, mais également par l'utilisation d'une drogue : la rapamycine. La PMN est due à l'interaction directe d'une protéine de la membrane externe de l'enveloppe nucléaire Nvj1p, et d'une protéine de la membrane vacuolaire Vac8p. L'interaction de ces deux protéines forme la jonction noyau-vacuole. Cette jonction guide la formation d'une invagination, qui englobe et étire vers la lumière vacuolaire une partie du noyau sous la forme d'un sac. Il s'en suit la libération d'une vésicule dégradée par les hydrolases. Les mécanismes moléculaires intervenant à différentes étapes de ce processus sont inconnus. Le but de ma thèse est de mettre en évidence de nouveaux acteurs qui interviennent dans la PMN. Dans la première partie de cette étude, nous présentons une procédure de sélection à la recherche de candidats jouant un rôle dans la PMN. Cette sélection a été effectuée dans la collection de mutants commercialisée chez Euroscarf. La procédure reposait sur l'observation que le nucléole (représenté par Nop1p) est le substrat préférentiel de la PMN dans des expériences de microscopie faites après induction de la PMN avec la rapamycine. Nous avons ainsi transformé la collection de mutants avec un plasmide portant le marqueur du nucléole Noplp. Par la suite, nous avons cherché par microscopie les mutants incapables de transférer Nop1p du noyau à la vacuole. Nous avons trouvé 318 gènes présentant un défaut de transfert de Nop1p par PMN. Ces gènes ont été classés par grandes familles fonctionnelles et aussi par leur degré de défaut de PMN. Egalement dans cette partie de l'étude, nous avons décrit des mutants impliqués dans le processus, à des étapes différentes. Dans la seconde partie de l'étude, nous avons regardé l'implication et le rôle de la V-ATPase, (une pompe à protons de la membrane vacuolaire}, sélectionnée parmi les candidats, dans le processus de PMN. Les inhibiteurs de ce complexe, comme la concanamycineA, bloquent l'activité PMN et semblent affecter le processus à deux étapes différentes. D'un autre côté, les jonctions «noyau-vacuole »forment une barrière de diffusion au niveau de la membrane vacuolaire, de laquelle Vphlp, une protéine de la V-ATPase, est exclue.

Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy in higher eukaryotes.

Research in autophagy continues to accelerate,(1) and as a result many new scientists are entering the field. Accordingly, it is important to establish a standard set of criteria for monitoring macroautophagy in different organisms. Recent reviews have described the range of assays that have been used for this purpose.(2,3) There are many useful and convenient methods that can be used to monitor macroautophagy in yeast, but relatively few in other model systems, and there is much confusion regarding acceptable methods to measure macroautophagy in higher eukaryotes. A key point that needs to be emphasized is that there is a difference between measurements that monitor the numbers of autophagosomes versus those that measure flux through the autophagy pathway; thus, a block in macroautophagy that results in autophagosome accumulation needs to be differentiated from fully functional autophagy that includes delivery to, and degradation within, lysosomes (in most higher eukaryotes) or the vacuole (in plants and fungi). Here, we present a set of guidelines for the selection and interpretation of the methods that can be used by investigators who are attempting to examine macroautophagy and related processes, as well as by reviewers who need to provide realistic and reasonable critiques of papers that investigate these processes. This set of guidelines is not meant to be a formulaic set of rules, because the appropriate assays depend in part on the question being asked and the system being used. In addition, we emphasize that no individual assay is guaranteed to be the most appropriate one in every situation, and we strongly recommend the use of multiple assays to verify an autophagic response.

The role of the vacuolar H+ - ATPase in membrane fusion

RésuméLa H+-ATPase vacuolaire (V-ATPase) est un complexe enzymatique composé de deux secteurs multimériques (VQ et Vi) dont l'association dans la cellule est réversible. Le secteur intramembranaire de la V-ATPase (V0) interagit physiquement avec des protéines SNARE et stimule la fusion homotypique des vacuoles de la levure (lysosomes), la sécrétion de neurotransmetteurs et d'insuline, la fusion entre phagosome et lysosome ainsi que la sécrétion des corps multivésiculaires par un mécanisme inconnu. Dans cette étude j'ai identifié des résidues d'acides amines situés dans des sous-unités de V0 impliqués dans le mécanisme de fusion des vacuoles mais non essentiels pour l'acidification vacuolaire par la V-ATPase. j'ai utilisé un protocole de mutagenèse aléatoire pour produire des libraries de mutants des sous unités de V0. Ces libraries ont été analysées in vivo afin d'identifier des alleles qui permettent la translocation des protons mais produisent une vacuole fragmentée, phénotype indiquant un défaut dans la fusion membranaire. Les vacuoles des mutants ont été isolées et caractéisées en utilisant une grande variété d'outils biochimiques pour déterminer précisément l'impact des différentes mutations sur l'accomplissement d'événements clés du processus de fusion.J'ai identifié des mutations associées à des défauts spécifiques de la fusion dans plusieurs sous-unités de V0. Dans les protéolipides c, c' et c" ces mutations se concentrent dans la partie cytosolique des domaines transmembranaires. Elles renforcent les associations entre les secteurs de la V-ATPase et entre V0 et les SNAREs. Dans la fusion vacuolaire ces mutations permettent la formation de complexes SNAREs en trans mais inhibent l'induction de la fusion. Par contre, la deletion de la sous- unité d influence les étapes de la fusion qui précèdent la formation des complexes trans-SNAREs. Mes résultats démontrent que V0 joue des rôles différents dans plusieurs étapes de la fusion et que ces fonctions sont liées au système des SNAREs. Ils différencient génétiquement les activités de V0 dans la translocation des protons et dans la fusion et identifient de nombreux résidus importants pour la fusion vacuolaire. De plus, compte tenu de la grande conservation de sequence des protéolipides chez les eukaryotes les mutations identifiées dans cette l'étude apportent de nouvelles informations pour analyser la fonction de V0 dans des organismes multicellulaires pour lesquels la function catalytique de la V-ATPase est essentielle à la survie.Résumé pour le large publicLe transport de protéines et de membranes est important pour maintenir la fonction des organelles dans la cellule. Il s'excerce au niveau des vesicules. La fusion membranaire est un processus élémentaire de ce transport. Pour fusionner deux membranes, il faut la coordination de deux activités: le rapprochement et la déstabiiization des deux membranes. La collaboration d'un ensemble de proteins conservés chez les eukaryotes, est nécessaire pour catalyser ces activités. Les proteins SNAREs sont les protagonistes principaux dans la fusion membranaire. Néanmoins, d'autres protéines, comme des Rab-GTPases et des chaperonnes, sont nécessaires pour permettre ce phénomène de fusion. Toutes ces protéines sont temporairement associées avec les SNAREs et leur fonction dans la fusion membranaire est souvent directement liée à leur activité dans cette association. Le secteur transmembranaire V0 de la V-ATPase rnteragit avec des SNAREs et est essentiel pour la fusion dans une variété de systèmes modèles comme la mouche, la souris et la levure. Le secteur V0 est composé de six protéines différentes. Avec te secteur Va, qui réside dans le cytosol, il forme la V-ATPase dont la fonction principale est l'acidification des organelles par translocation des protons à travers la membrane par un mécanisme ressemblant à celui d'une pompe. V0joue un role dans la fusion membranaire, indépendamment de son activité catalytique liée au pompage des protons, et ce rôle est encore largement méconnu à ce jour. Le but de ma thèse était de mieux comprendre l'implication de V0 dans ce contexte.Pour étudier des activités liées à la V-ATPase, la levure est un excellent modèle d'étude car elle survie à une inactivation de l'enzyme alors que le meme traitement serait léthal pour des organismes multicellulaires. Dans ma thèse j'ai utilisé la fusion homotypique de la vacuole de levure comme système modèle pour étudier le rôle de V0 dans la fusion. J'ai muté des gènes qui encodent des sous- unités de V0 et les ai introduit dans des souches privées des gènes respectifs. Dans les librairies de souches portant différentes versions de ces gènes j'ai cherché des clones exprimant une V-ATPase intacte et fonctionnelle mais qui possèdent une vacuole fragmentée. Le plus souvent, une vacuole fragmentée indique un défaut dans la fusion vacuolaire. Dans les trois types de protéolipides qui composent un cylindre dans le secteur V0, j'ai trouvé des clones avec une vacuole fragmentée. Après avoir isolé les mutations responsable de ce type de morphologie vacuolaire, j'ai isolé les vacuoles de ces clones pour étudier leur activités dans différentes étapes de la fusion vacuolaire. Les résultats de ces analyses mettent en évidence une implication de V0 dans plusieurs étapes de la fusion vacuolaire. Certaines mutations sélectionnées dans mon étude inhibent une étape précoce de la fusion qui inclue la dissociation des complexes SNARE, tandis que d'autres mutations inhibent une étape tardive du processus de fusion qui inclue la transmission d'une force disruptive dans la membrane.AbstractThe membrane-integral V0 sector of the vacuolar H+-ATPase (V-ATPase) interacts with SNARE proteins. V0 stimulates fusion between yeast vacuoles (lysosomes) (Peters et al., 2001b), secretion of neurotransmitters and insulin (Hiesinger et al., 2005a, Sun-Wada et al., 2006a), phagosome-lysosome fusion (Peri and Nusslein-Volhard, 2008) and secretion of multivesicular bodies (Liegeois et al., 2006b) by a yet unknown mechanism. In my thesis, I identified sites in V0 subunits that are involved in yeast vacuole fusion but dispensable for the proton pumping by the V-ATPase. I randomly mutagenized V0 subunits and screened in vivo for mutant alleles that support proton pumping but cause fragmented vacuoles, a phenotype indicative of a fusion defect. Mutant vacuoles were isolated and analyzed in a cell-free system, allowing assay of key events in fusion, such as trans-SNARE pairing, lipid transition and fusion pore opening (Reese et al., 2005b).Mutants with selective fusion defects were found in several V0 subunits. In the proteolipids c, c' and c", critical mutations are concentated in the cytosolic half of the transmembrane domains. These mutations rendered the V-ATPase holoenzyme more stable and modulated V0-SNARE associations. In vacuole fusion critical proteolipid mutations permitted trans-SNARE pairing but impeded the induction of lipid flow between the membranes. Deletion of subunit d, by contrast, influenced early stages of fusion that precede trans-SNARE pairing. My results show that V0 acts in several steps of the fusion process and that its function is intimately connected to the SNARE system. They genetically separate the proton pump and fusion activities of V0 and identify numerous critical residues. Given the high sequence conservation of proteolipids in eukaryotic life, the identified mutations may be helpful in analyzing the fusion function of V0 also in mammalian cells, where V- ATPase pump function is essential for survival.

Determination of four sequential stages during microautophagy in vitro.

Microautophagy is the transfer of cytosolic components into the lysosome by direct invagination of the lysosomal membrane and subsequent budding of vesicles into the lysosomal lumen. This process is topologically equivalent to membrane invagination during multivesicular body formation and to the budding of enveloped viruses. Vacuoles are lysosomal compartments of yeasts. Vacuolar membrane invagination can be reconstituted in vitro with purified yeast vacuoles, serving as a model system for budding of vesicles into the lumen of an organelle. Using this in vitro system, we defined different reaction states. We identified inhibitors of microautophagy in vitro and used them as tools for kinetic analysis. This allowed us to characterize four biochemically distinguishable steps of the reaction. We propose that these correspond to sequential stages of vacuole invagination and vesicle scission. Formation of vacuolar invaginations was slow and temperature-dependent, whereas the final scission of the vesicle from a preformed invagination was fast and proceeded even on ice. Our observations suggest that the formation of invaginations rather than the scission of vesicles is the rate-limiting step of the overall reaction.