Regulation of gene expression in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste.

Voies de signalisation non-canoniques du récepteur V2 de la vasopressine

Le récepteur V2 (V2R) de la vasopressine est un récepteur couplé aux protéines G (RCPG), jouant un rôle fondamental dans le maintien de l’homéostasie hydrosodique. À l’instar de nombreux RCPGs, il est capable d’interagir avec plusieurs types de protéines G hétérotrimériques et possède des voies de signalisation peu explorées aux mécanismes mal compris. Ces voies non canoniques font l’objet des travaux exposés dans ce mémoire. Il s’agit d’explorer les caractéristiques et mécanismes de la signalisation de V2R via G12, et de la voie d’activation d’ERK 1/2 par transactivation du récepteur de l’insulin-like growth factor 1, IGF1R. Par des études de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), nous exposons la capacité de V2R à interagir avec la sous-unité Gα12 ainsi que la modulation de la conformation de l’hétérotrimère G12 par l’agoniste de V2R, l’arginine-vasopressine. Ces travaux dévoilent également la modulation de l’interaction entre Gα12 et son effecteur classique RhoA, suggérant un engagement de RhoA, ainsi que la potentialisation via Gα12 de la production d’AMP cyclique. À l’aide de diverses méthodes d’inhibition sélective, nos résultats précisent les mécanismes de la transactivation. Ils supportent notamment le rôle initiateur de l’activation de Src par V2R et l’absence d’implication des ligands connus d’IGF1R dans la transactivation. La métalloprotéase MMP 3 apparaît par ailleurs comme un bon candidat pour réguler la transactivation. Ce projet met en lumière des modes de signalisation peu explorés de V2R, dont l’implication physiologique et physiopathologique pourrait s’avérer significative, au-delà d’un apport fondamental dans la compréhension de la signalisation des RCPGs.

Étude des mécanismes moléculaires impliquant l'homéoprotéine MEIS1 dans le développement de leucémies myéloïdes aigües

Les leucémies myéloïdes aigües résultent d’un dérèglement du processus de l’hématopoïèse et regroupent des maladies hétérogènes qui présentent des profils cliniques et génétiques variés. La compréhension des processus cellulaires responsables de l’initiation et du maintien de ces cancers permettrait de développer des outils thérapeutiques efficaces et ciblés. Au cours des dernières années, une quantité croissante d’anomalies génétiques reliées au développement de leucémies ont été corrélées à une expression anormale des gènes HOX et de leurs cofacteurs MEIS et PBX. Des modèles expérimentaux murins ont confirmé le rôle direct joué par ces protéines dans le développement de leucémies. En effet, la protéine MEIS1 collabore avec HOXA9 dans la leucémogenèse et requiert pour ce faire trois domaines distincts. Deux de ces domaines sont conservés chez PREP1, un membre de la même classe d’homéoprotéine que MEIS1. En utilisant une approche de gain-de-fonction, j’ai confirmé l’importance du rôle joué par le domaine C-terminal de MEIS1 dans l’accélération des leucémies induites par HOXA9. J’ai également montré que l’activité de ce domaine était corrélée avec une signature transcriptionnelle associée à la prolifération cellulaire. J’ai ensuite réalisé un criblage à haut débit afin d’identifier des antagonistes de l’interaction MEIS-PBX, également essentielle à l’accélération des leucémies HOX. À cette fin, j’ai développé un essai de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) permettant de détecter la dimérisation MEIS-PBX dans les cellules vivantes. Plus de 115 000 composés chimiques ont été testés et suite à une confirmation par un essai orthogonal, une vingtaine de molécules ont été identifiées comme inhibiteurs potentiels. Ces composés pourront être rapidement testés sur la prolifération de cellules leucémiques primaires dans un contexte d’étude préclinique. Finalement, deux approches protéomiques complémentaires ont permis d’identifier des partenaires potentiels de MEIS1 et PREP1. La catégorisation fonctionnelle de ces candidats suggère un nouveau rôle pour ces homéoprotéines dans l’épissage de l’ARN et dans la reconnaissance de l’ADN méthylé.

The Independence of CXCR4’s Pathways, Gαi and β-Arrestin2, and Their Modulation by AMD3100 and TC14012

CXCR4, a chemokine receptor involved in metastasis and homing of hematopoietic stem cells, signals through two major pathways: Gαi and β-arrestin2. β-arrestin2 terminates G-protein signaling and targets the receptor to endocytosis. This project proposed to study the effect of a previously described set of CXCR4 mutants on both these signaling pathways, as well as their localization. These mutants were assayed by different Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET) systems. Using these systems, we confirmed that N119S is a constitutively active mutant (CAM), spontaneously activating Gαi. As well, we found that R134A is a constitutively inactive mutant (CIM), devoided of G-protein signaling, but spontaneously recruiting β-arrestin2. In addition, we studied the dependency of β-arrestin2 recruitment on the Gαi activity. By targeting R134A and N119S with pertussis toxin, an inhibitor of the Gαi activation, we showed efficient blocking of the Gαi pathway, while maintaining the constitutive recruitment of β-arrestin2. This demonstrated that for CXCR4, β-arrestin2 recruitment is independent of the Gαi pathway. Finally, two synthetic ligands of CXCR4, AMD3100 and TC14012 were tested for their ability to recruit β-arrestin2. AMD3100 is a clinically approved drug used for stem cell transplantation, with considerable side effects. We found it to be an antagonist on both Gαi and β-arrestin2 recruitment. On the other hand, TC14012 was found to be an inverse agonist on Gαi and an antagonist on β-arrestin2 recruitment. Based on this finding, it would be preferable to use of TC14012 as it will further reduce any basal Gαi activity, without affecting β-arrestin2 recruitment. These results support the development of TC14012 for stem cell mobilization trials.

L'inhibition de la production d'AMPc est modulée différemment à court et long terme par l'internalisation du récepteur opioïde delta

Les opioïdes sont les analgésiques les plus puissants mais leur utilisation prolongée peut entraîner le développement d’une tolérance analgésique. La tolérance serait en partie associée à l’inhibition prolongée de l’adénosine monophosphate cyclique (AMPc) entraînant des changements compensatoires dans la voie de l’adénylate cyclase. Pour cette étude, nous avons eu recours à un biosenseur basée sur la technologie de Bioluminescence Resonnance Energy Transfer (BRET) et qui fournit des mesures de l’AMPc en fonction du temps réel. Durant les 15 premières minutes de stimulation, la réponse de l’AMPc est bi-phasique. Cette progression de la réponse à l’AMPc n’est pas la même pour tous les ligands. Par exemple, la deltorphine II qui induit l’internalisation du récepteur opioïde delta (DOR) affiche une baisse de l’inhibition de l’AMPc. À l’inverse la morphine qui n’induit pas l’internalisation du DOR affiche une réponse stable à l’inhibition de l’AMPc. Ainsi le profil d’internalisation permet de prédire la progression de l’inhibition de l’AMPc à court terme (15 minutes). Nous avons aussi mesuré la réponse à l’AMPc durant 30, 60 et 120 min, étant donné qu’un traitement chronique aux opioïdes induit une tolérance analgésique. Selon les résultats obtenus, le profil d’internalisation du DOR induits par les ligands ne permet pas d’expliquer l’inhibition persistante de l’AMPc.

CXCR3 biased signaling, heteromerization and decoy properties

Le récepteur de chimiokine CXCR3 est un récepteur couplé à la protéine G (RCPG) exprimé, entre autre, sur les cellules T activées lors d’une réponse immune. CXCR3 est activé par trois ligands inductibles par l’interféron-γ (CXCL9, 10, 11) et, plus récemment, il a été découvert que CXCL4 liait CXCR3. Nous savons que CXCR3 joue un rôle dans la chimiotaxie des leucocytes, mais peu d’attention a été portée sur la signalisation biaisée induite par ces quatre ligands. Alors que l’homodimérisation entre récepteurs de chimiokine est un concept grandement observé, l’hétéromérisation entre deux récepteurs reste un domaine de recherche active. La signalisation biaisée et l’hétéromérisation ont été testées grâce à la technique de bioluminescene resonance energy transfer (BRET) dans des cellules HEK293E. Nous présentons une caractérisation pharmacologique des quatre ligands de CXCR3 et démontrons l’hétéromérisation de CXCR3 avec CXCR4 et avec CXCR7. Nos résultats suggèrent que les ligands de CXCR3 n’agissent pas de manière redondante.

Biomolecular interaction analysis in functional proteomics

In der funktionellen Proteomforschung werden bekannte Interaktionen eines zellulären Netzwerkes qualitativ untersucht. Diese Veröffentlichung beschreibt verschiedene biomolekulare Interaktionsanalysen, anhand des Modellsystems PKA, die zur detaillierten Charakterisierung von Bindungen herangezogen werden können. Neben den Gleichgewichtsbindungsdaten (generiert aus AlphaScreen, FP, SPR und ITC Messungen) wurden aus ITC Messungen die thermodynamischen Parameter G, H und S ermittelt. Durch Anwendung der BRET2 (Bioluminescence resonance energy transfer) Methode konnten in lebenden Zellen Aussagen über Bindungsereignisse und deren Lokalisation getroffen werden.

The bile acid receptor TGR5 does not interact with β-arrestins or traffic to endosomes but transmits sustained signals from plasma membrane rafts.

TGR5 is a G protein-coupled receptor that mediates bile acid (BA) effects on energy balance, inflammation, digestion and sensation. The mechanisms and spatiotemporal control of TGR5 signaling are poorly understood. We investigated TGR5 signaling and trafficking in transfected HEK293 cells and colonocytes (NCM460) that endogenously express TGR5. BAs (deoxycholic acid, DCA, taurolithocholic acid, TLCA) and the selective agonists oleanolic acid (OA) and 3-(2-chlorophenyl)-N-(4-chlorophenyl)-N, 5-dimethylisoxazole-4-carboxamide (CCDC) stimulated cAMP formation but did not induce TGR5 endocytosis or recruitment of β-arrestins, assessed by confocal microscopy. DCA, TLCA and OA did not stimulate TGR5 association with β-arrestin 1/2 or G protein-coupled receptor kinase (GRK) 2/5/6, determined by bioluminescence resonance energy transfer. CCDC stimulated a low level of TGR5 interaction with β-arrestin2 and GRK2. DCA induced cAMP formation at the plasma membrane and cytosol, determined using exchange factor directly regulated by cAMP (Epac2)-based reporters, but cAMP signals did not desensitize. AG1478, an inhibitor of epidermal growth factor receptor (EGFR) tyrosine kinase, the metalloprotease inhibitor batimastat, and methyl-β-cyclodextrin and filipin, which block lipid raft formation, prevented DCA stimulation of extracellular signal regulated kinase (ERK1/2). BRET analysis revealed TGR5 and EGFR interactions that were blocked by disruption of lipid rafts. DCA stimulated TGR5 redistribution to plasma membrane microdomains, localized by immunogold electron microscopy. Thus, TGR5 does not interact with β-arrestins, desensitize or traffic to endosomes. TGR5 signals from plasma membrane rafts that facilitate EGFR interaction and transactivation. An understanding of the spatiotemporal control of TGR5 signaling provides insights into the actions of BAs and therapeutic TGR5 agonists/antagonists.

PREDICTION OF METAL CATION TOXICITY TO THE BIOLUMINESCENT FUNGUS GERRONEMA VIRIDILUCENS

A correlation between the physicochemical properties of mono- [Li(I), K(I), Na(I)] and divalent [Cd(II), Cu(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Zn(II), Mg(II), Ca(II)] metal cations and their toxicity (evaluated by the free ion median effective concentration. EC50(F)) to the naturally bioluminescent fungus Gerronema viridilucens has been studied using the quantitative ion character activity relationship (QICAR) approach. Among the 11 ionic parameters used in the current study, a univariate model based on the covalent index (X(m)(2)r) proved to be the most adequate for prediction of fungal metal toxicity evaluated by the logarithm of free ion median effective concentration (log EC50(F)): log EC50(F) = 4.243 (+/-0.243) -1.268 (+/-0.125).X(m)(2)r (adj-R(2) = 0.9113, Alkaike information criterion [AIC] = 60.42). Additional two- and three-variable models were also tested and proved less suitable to fit the experimental data. These results indicate that covalent bonding is a good indicator of metal inherent toxicity to bioluminescent fungi. Furthermore, the toxicity of additional metal ions [Ag(I), Cs(I), Sr(II), Ba(II), Fe(II), Hg(II), and Pb(II)] to G. viridilucens was predicted, and Pb was found to be the most toxic metal to this bioluminescent fungus (EC50(F)): Pb(II) > Ag(I) > Hg(I) > Cd(II) > Cu(II) > Co(II) Ni(II) > Mn(II) > Fe(II) approximate to Zn(II) > Mg(II) approximate to Ba(II) approximate to Cs(I) > Li(I) > K(I) approximate to Na(I) approximate to Sr(II)> Ca(II). Environ. Toxicol. Chem. 2010;29:2177-2181. (C) 2010 SETAC

Bioluminescent sensor for naphthalene in air: Cell immobilization and evaluation with a dynamic standard atmosphere generator

A dynamic atmosphere generator with a naphthalene emission source has been constructed and used for the development and evaluation of a bioluminescence sensor based on the bacteria Pseudomonas fluorescens HK44 immobilized in 2% agar gel (101 cell mL(-1)) placed in sampling tubes. A steady naphthalene emission rate (around 7.3 nmol min(-1) at 27 degrees C and 7.4 mLmin(-1) of purified air) was obtained by covering the diffusion unit containing solid naphthalene with a PTFE filter membrane. The time elapsed from gelation of the agar matrix to analyte exposure (""maturation time"") was found relevant for the bioluminescence assays, being most favorable between 1.5 and 3 h. The maximum light emission, observed after 80 min, is dependent on the analyte concentration and the exposure time (evaluated between 5 and 20 min), but not on the flow rate of naphthalene in the sampling tube, over the range of 1.8-7.4 nmol min(-1). A good linear response was obtained between 50 and 260 nmol L-1 with a limit of detection estimated in 20 nmol L-1 far below the recommended threshold limit value for naphthalene in air. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Fenchyl substituted 1,2-dioxetanes as an alternative to adamantyl derivatives for bioanalytical applications

The synthesis and study of the chemiluminescence parameters and thermal stability of 1,2-dioxetanes containing a spirofenchyl substituent are reported. Three fenchyl-substituted 1,2-dioxetanes were synthesized by photooxygenation of the corresponding alkenes, obtained by Barton-Kellogg olefination of the readily available (-)-fenchone. The fenchyl-substituted 1,2-dioxetanes showed thermal stabilities similar to those of the corresponding spiroadamantyl-substituted derivatives, although being slightly more labile with respect to unimolecular decomposition than the latter derivatives, which are widely utilized as labels in a great variety of chemiluminescent immunoassays. Fluoride induced decomposition of one triggerable fenchyl 1,2-dioxetane derivative showed kinetic parameters similar to those of the corresponding adamantyl-substituted derivative. The chemiluminescence quantum yields in the one percent range are also similar to that of other widely utilized chemiluminescence systems as the luminol reaction. These results indicate that fenchyl-substituted 1,2-dioxetanes can potentially be utilized as a cheaper alternative to substitute the corresponding spiroadamantyl derivatives in bioanalytical applications. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Src homology 3-domain growth factor receptor-bound 2-like (endophilin) interacting protein 1, a novel neuronal protein that regulates energy balance

To identify genes involved in the central regulation of energy balance, we compared hypothalamic mRNA from lean and obese Psammomys obesus, a polygenic model of obesity, using differential display PCR. One mRNA transcript was observed to be elevated in obese, and obese diabetic, P. obesus compared with lean animals and was subsequently found to be increased 4-fold in the hypothalamus of lethal yellow agouti (Ay/a) mice, a murine model of obesity and diabetes. Intracerebroventricular infusion of antisense oligonucleotide targeted to this transcript selectively suppressed its hypothalamic mRNA levels and resulted in loss of body weight in both P. obesus and Sprague Dawley rats. Reductions in body weight were mediated by profoundly reduced food intake without a concomitant reduction in metabolic rate. Yeast two-hybrid screening, and confirmation in mammalian cells by bioluminescence resonance energy transfer analysis, demonstrated that the protein it encodes interacts with endophilins, mediators of synaptic vesicle recycling and receptor endocytosis in the brain. We therefore named this transcript Src homology 3-domain growth factor receptor-bound 2-like (endophilin) interacting protein 1 (SGIP1). SGIP1 encodes a large proline-rich protein that is expressed predominantly in the brain and is highly conserved between species. Together these data suggest that SGIP1 is an important and novel member of the group of neuronal molecules required for the regulation of energy homeostasis.

Luminescence: overview

Article Outline
• Introduction
• Photoluminescence
• General Principles
• Structural and Environmental Influences on Photoluminescence
• The Relationship between Photoluminescence Intensity and Analyte Concentration
• Excitation and Emission Spectra
• Chemiluminescence
• Bioluminescence
• Other Types of Luminescence
• Further Reading

Chemiluminescence detector with a serpentine flow cell

We present a new chemiluminescence detector, with solution channels that have been machined into a Teflon disk and sealed with a sapphire window. The configuration of the flow cell can be conveniently modified by replacing the Teflon disk. A comparison of some existing and novel designs, using the chemiluminescence reaction of morphine with acidic potassium permanganate and the bioluminescence reaction of ATP with the commercially available “BacTiter-Glo” reagent, has revealed that a serpentine channel allows greater quantities of light to be captured than a spiral channel, due to more efficient mixing of the analyte and reagent solutions within the cell.