Activation mechanisms of the protease MALT1 and cleavage of one of its targets - the ribonuclease Regnase-1- in lymphocytes and lymphoma cell lines

Persistent infection induces an adaptive immune response that is mediated by T and B lymphocytes. Upon triggering with an antigen, these cells become activated and turn into fast expanding cells able to efficiently defend the host. Lymphocyte activation is controlled by a complex composed of CARMA1, BCL10 and MALT1 which regulates the NF-KB signaling pathway upon antigen triggering. Abnormally high expression or activity of either one of these three proteins can favor the development of lymphomas, while genetic defects in the pathway are associated with immunodeficiency. MALT1 was identified as a paracaspase sharing homology with other cysteine proteases, namely caspases and metacaspases. In order to be active, caspases need to dimerize. Based on their sequence similarity with MALT1, we hypothesized that dimerization might also be a mechanism of activation employed by MALT1. To address this assumption, we performed a bioinformatics modelling based on the crystal structures of several caspases. Our model suggested that the MALT1 caspase-like domain can indeed form dimers. This finding was later confirmed by several published crystal structures of MALT1. In the dimer interface of our model, we noticed the presence of charged amino acids that could potentially form salt bridges and thereby hold both monomers together. Mutation of one of these residues, E549, into alanine completely blocked the catalytic activity of MALT1. Additionally, we provided evidence for a role of E549 in promoting the MALTl-dependent growth of cells derived from diffuse large B cell lymphoma (DLBCL) of the aggressive B cell-like type (ABC). To our initial surprise, the E549A mutation showed only a partial defect in dimerization, indicating that additional residues are essential to form a stable dimer. The MALT1 crystal structures revealed a key function for E549 in stabilizing the catalytic site of the protease via its interaction with an arginine which is located next to the catalytic active cysteine. In an additional study, we discovered that MALT1 monoubiquitination is required for the catalytic activity of the protease. Interestingly, we found that the MALT1 dimer interface mutant E549A could not be monoubiquitinated. Based on these findings, we suggest that correct formation of the dimer interface is a prerequisite for monoubiquitination. In a second project, we discovered a novel target of the protease MALT1, the ribonuclease Regnase¬la It was described that the RNase activity of Regnase-1 negatively regulates immune responses. We could show that in ABC DLBCL cell lines, Regnase-1 is not only cleaved by MALT1 but also phosphorylated, at least in part, by the inhibitor of KB kinase (IKK). Both regulations appear to restrain the RNase function of Regnase-1 and thereby allow the production of pro-survival proteins. In conclusion, our studies further highlight and explain the importance of the catalytic activity of MALT1 for the activation of lymphocytes and provide additional knowledge for the development of specific drugs targeting the catalytic activity of MALT1 for immunomodulation and treatment of lymphomas.  SUMMARY IN FRENCH PhD Thesis Katrin Cabalzar 2 SUMMARY IN FRENCH Une infection persistante induit une réponse immunitaire adaptative par l'intermédiaire des lymphocytes T et B. Quand elles reconnaissent l'antigène, ces cellules sont activées et se multiplient très rapidement pour défendre efficacement l'hôte. L'activation des lymphocytes est transmise par un complexe composé de trois protéines, CARMA1, BCL10 et MALT1, qui régule la voie de signalisation NF-KB lorsque l'antigène est reconnu. L'expression ou l'activité anormalement élevée de l'une de ces trois protéines peut favoriser le développement de lymphomes, tandis que des défauts génétiques de cette voie de signalisation sont associés à l'immunodéficience. MALT1 a été identifiée comme étant une paracaspase qui partage des séquences homologues avec d'autres protéases à cystéine, comme les caspases et les métacaspases. Pour être actives, les caspases ont besoin de dimériser. Etant donné leur similarité de séquence avec MALT1, nous avons supposé que la dimérisation pouvait aussi être un mécanisme d'activation utilisé par MALT1. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons conçu un modèle bioinformatique à partir des structures cristallographiques de plusieurs caspases. Et notre modèle a suggéré que le domaine catalytique de MALT1 était effectivement capable de former des dimères. Cette découverte a été confirmée plus tard par des publications qui montrent des structures cristallographiques dimériques de MALT1. Dans l'interface du dimère de notre modèle, nous avons remarqué la présence d'acides aminés chargés qui pouvaient former des liaisons ioniques et ainsi réunir les deux monomères. La mutation de l'un de ces résidus, E549, pour une alanine, a complètement inhibé l'activité catalytique de MALT1. De plus, nous avons mis en évidence un rôle d'E549 dans la croissance dépendante de MALT1, des cellules dérivées de lymphomes B diffus à grandes cellules (DLBCL) de sous-type cellules B actives (ABC). Dans un premier temps nous avons été surpris de constater que cette mutation révélait seulement un défaut partiel de dimérisation, ce qui indique que des acides aminés supplémentaires sont indispensables pour former un dimère stable. Les structures cristallographiques de MALT1 ont révélé un rôle primordial d'E549 dans la stabilisation du site catalytique de la protéase via son interaction avec une arginine qui se trouve à côté de la cystéine du site actif. Dans une autre étude, nous avons découvert que la monoubiquitination de MALT1 est requise pour l'activité catalytique de la protéase. A remarquer que nous avons trouvé que le mutant E549A de l'interface dimère de MALT1 n'a pas pu être monoubiquitiné. Sur la base de ces résultats, nous suggérons que la formation correcte de l'interface du dimère est une condition préalable pour la monoubiquitination. Dans un second projet, nous avons découvert une nouvelle cible de la protéase MALT1, la ribonucléase Regnase-1. Il a été décrit que l'activité RNase de Regnase-1 régulait négativement les réponses immunitaires. Nous avons pu montrer que dans les lignées cellulaires ABC DLBCL, la Regnase-1 n'était pas seulement clivée par MALT1 mais également phosphorylée, au moins en partie, par la kinase de l'inhibiteur de KB (IKK). Les deux régulations semblent supprimer la fonction RNase de Regnase-1 et permettre ainsi la stabilisation de certains ARN messagers et la production de protéines favorisant la survie. En conclusion, nos études mettent en évidence le rôle-clé de la dimérisation de MALT1 et expliquent l'importance de l'activité catalytique de MALT1 pour l'activation des lymphocytes. Ainsi, nos résultats apportent des connaissances supplémentaires pour le développement de médicaments spécifiques ciblant l'activité catalytique de MALT1, qui pourraient être utiles pour modifier les réponses immunitaires et traiter des lymphomes.

OpenFluDB, a database for human and animal influenza virus.

Although research on influenza lasted for more than 100 years, it is still one of the most prominent diseases causing half a million human deaths every year. With the recent observation of new highly pathogenic H5N1 and H7N7 strains, and the appearance of the influenza pandemic caused by the H1N1 swine-like lineage, a collaborative effort to share observations on the evolution of this virus in both animals and humans has been established. The OpenFlu database (OpenFluDB) is a part of this collaborative effort. It contains genomic and protein sequences, as well as epidemiological data from more than 27,000 isolates. The isolate annotations include virus type, host, geographical location and experimentally tested antiviral resistance. Putative enhanced pathogenicity as well as human adaptation propensity are computed from protein sequences. Each virus isolate can be associated with the laboratories that collected, sequenced and submitted it. Several analysis tools including multiple sequence alignment, phylogenetic analysis and sequence similarity maps enable rapid and efficient mining. The contents of OpenFluDB are supplied by direct user submission, as well as by a daily automatic procedure importing data from public repositories. Additionally, a simple mechanism facilitates the export of OpenFluDB records to GenBank. This resource has been successfully used to rapidly and widely distribute the sequences collected during the recent human swine flu outbreak and also as an exchange platform during the vaccine selection procedure. Database URL: http://openflu.vital-it.ch.

The SLC2 (GLUT) family of membrane transporters.

GLUT proteins are encoded by the SLC2 genes and are members of the major facilitator superfamily of membrane transporters. Fourteen GLUT proteins are expressed in the human and they are categorized into three classes based on sequence similarity. All GLUTs appear to transport hexoses or polyols when expressed ectopically, but the primary physiological substrates for several of the GLUTs remain uncertain. GLUTs 1-5 are the most thoroughly studied and all have well established roles as glucose and/or fructose transporters in various tissues and cell types. The GLUT proteins are comprised of ∼500 amino acid residues, possess a single N-linked oligosaccharide, and have 12 membrane-spanning domains. In this review we briefly describe the major characteristics of the 14 GLUT family members.

Estrella lausannensis, a new star in the Chlamydiales order.

Originally, the Chlamydiales order was represented by a single family, the Chlamydiaceae, composed of several pathogens, such as Chlamydia trachomatis, Chlamydia pneumoniae, Chlamydia psittaci and Chlamydia abortus. Recently, 6 new families of Chlamydia-related bacteria have been added to the Chlamydiales order. Most of these obligate intracellular bacteria are able to replicate in free-living amoebae. Amoebal co-culture may be used to selectively isolate amoeba-resisting bacteria. This method allowed in a previous work to discover strain CRIB 30, from an environmental water sample. Based on its 16S rRNA gene sequence similarity with Criblamydia sequanensis, strain CRIB 30 was considered as a new member of the Criblamydiaceae family. In the present work, phylogenetic analyses of the genes gyrA, gyrB, rpoA, rpoB, secY, topA and 23S rRNA as well as MALDI-TOF MS confirmed the taxonomic classification of strain CRIB 30. Morphological examination revealed peculiar star-shaped elementary bodies (EBs) similar to those of C. sequanensis. Therefore, this new strain was called "Estrella lausannensis". Finally, E. lausannensis showed a large amoebal host range and a very efficient replication rate in Acanthamoeba species. Furthermore, E. lausannensis is the first member of the Chlamydiales order to grow successfully in the genetically tractable Dictyostelium discoideum, which opens new perspectives in the study of chlamydial biology.

Odorant binding proteins of the red imported fire ant, Solenopsis invicta: an example of the problems facing the analysis of widely divergent proteins.

We describe the odorant binding proteins (OBPs) of the red imported fire ant, Solenopsis invicta, obtained from analyses of an EST library and separate 454 sequencing runs of two normalized cDNA libraries. We identified a total of 18 putative functional OBPs in this ant. A third of the fire ant OBPs are orthologs to honey bee OBPs. Another third of the OBPs belong to a lineage-specific expansion, which is a common feature of insect OBP evolution. Like other OBPs, the different fire ant OBPs share little sequence similarity (∼ 20%), rendering evolutionary analyses difficult. We discuss the resulting problems with sequence alignment, phylogenetic analysis, and tests of selection. As previously suggested, our results underscore the importance for careful exploration of the sensitivity to the effects of alignment methods for data comprising widely divergent sequences.

Avian Evolutionary Genomics: Studies of Ficedula Flycatchers

In this thesis, different genetic tools are used to investigate both natural variation and speciation in the Ficedula flycatcher system: pied (Ficedula hypoleuca) and collared (F. albicollis) flycatchers. The molecular evolution of a gene involved in postnatal body growth, GH, has shown high degree of conservation at the mature protein between birds and mammals, whereas the variation observed in its signal peptide seems to be adaptive in pied flycatcher (I & II). Speciation is the process by which reproductive barriers to gene flow evolve between populations, and understanding the mechanisms involved in pre- and post-zygotic isolation have been investigated in Ficedula flycatchers. The Z chromosome have been suggested to be the hotspot for genes involved in speciation, thus sequencing of 13 Z-linked coding genes from the two species in allopatry and sympatry have been conducted (III). Surprisingly, the majority of Z-linked genes seemed to be highly conserved, suggesting instead a potential involvement of regulatory regions. Previous studies have shown that genes involved in hybrid fitness, female preferences and male plumage colouration are sex-linked. Hence, three pigmentation genes have been investigated: MC1R, AGRP, and TYRP1. Of these three genes, TYRP1 was identified as a strong candidate to be associated with black-brown plumage variation in sympatric populations, and hence is a strong candidate for a gene contributing to pre-zygotic isolation (IV). In sympatric areas, where pied and collared flycatchers have overlapping breeding areas, hybridization sometimes occurs leading to the production of unfit hybrids. By using a proteomic approach a novel expression pattern in hybrids was revealed compared to the parental species (V) and differentially expressed proteins subsequently identified by sequence similarity (VI). In conclusion, the Z chromosome appears to play an important role in flycatcher speciation, but probably not at the coding level. In addition the novel expression patterns might give new insights into the maladaptive hybrids.

Characterization and functional identification of a novel plant extradiol 4,5-dioxygenase involved in betalain pigment biosynthesis in Portulaca Grandiflora

RESUME Les bétalaïnes sont des pigments chromo-alcaloïdes violets et jaunes présents dans les plantes appartenant à l'ordre des Caryophyllales et dans les champignons des genres Amanita et Hygrocybe. Leur courte voie de biosynthèse est élucidée chimiquement depuis de nombreuses années, mais les enzymes impliquées dans cette biosynthèse chez les plantes ne sont toujours pas caractérisées. L'enzyme de la DOPA-dioxygénase d' Amanita muscaria a été identifiée (Girod et Zryd, 1991a), mais de nombreuses tentatives d'isolation d'un homologue chez les plantes ont échoué. Afin d'isoler les gènes spécifiques des bétalaïnes chez les plantes, nous avons construit des banques soustraites d'ADNc à partir d'ARN total de pétales immatures de Portulaca grandiflora (Pg) de génotypes jaunes et blancs, respectivement violets et blancs. Les clones couleur- spécifiques ont été détectés en premier par analyse Northem du RNA de pétales blancs et colorés. Les candidats positifs ont alors été soumis à une analyse de transcription au niveau des tiges colorées, vertes et des feuilles, afin d'établir leur expression spécifique. Deux ARNs messagers complets ont une expression corrélée avec l'accumulation des bétalaïnes dans les tissus. Le premier de ces clones, A.16, code pour une oxydase de l'acyl-Coenzyme A (ACX) putative, mais le domaine de liaison du FAD essentiel pour l'activité d'ACX est absent. Toutes nos tentatives pour démontrer sa fonction ont échoué. Le rôle de cette protéine dans la voie de synthèse des bétalaïnes reste inconnu. Le deuxième de ces clones spécifique aux bétalaïnes, L.6 (isolé par Zaiko, 2000), a été renommé DODA en raison de son homologie avec le domaine LigB (pfam02900) d'une 4,5-dioxygénase extradiol bactérienne. DODA a été identifié in silico comme une dioxygénase extradiol en raison de la conservation stricte, au niveau de sa séquence peptidique, des résidus catalytiques de LigB et de ceux liant le cofacteur fer. Une analyse de transfert Southem a montré que ce gène est unique dans Pg. L'expression transitoire de DODA par transformation biolistique dans des pétales blancs de Pg a produit des taches violettes ou jaunes dans des cellules transformées. Une analyse HPLC de ces taches a démontré leur identité avec les bétalaïnes présentes naturellement dans les pétales violets et jaunes de Pg, confirmant ainsi la complémentation par le gène Pg DODA de l'allèle récessif cc présent dans les pétales blancs de Pg. Des homologues de DODA (DOPA-dioxygénase) ont été identifiés dans de nombreuses espèces de plantes, y compris dans celles sans bétalaïne. L'alignement de ces homologues a permis l'identification d'un motif spécifique aux bétalaïnes à côté d'une histidine catalytique conservée. Ce motif [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] remplace le motif [H-N-L-R] conservé dans les plantes sans bétalaïne et le motif [H-N-L-x] présent dans tous les homologues bactériens et archaebactériens. Une modélisation tridimensionnelle préliminaire du site actif de Pg DODA et de son homologue dans la mousse Physcomitrella patens a montré l'importance de ce motif spécifique aux bétalaïnes pour l'accessibilité du substrat au site actif. L'analyse phylogénétique de DODA a confirmé l'évolution séparée de cette protéine chez les plantes à bétalaïnes par comparaison avec celle des plantes sans bétalaïne. Nous avons donc conclu que les bétalaïnes sont apparues par modification de l'affinité pour un substrat d'enzymes similaires à DODA, chez un ancêtre unique des Caryophyllales qui a perdu toute capacité de biosynthèse des anthocyanes. Finalement, Pg DODA n'a aucune similarité avec la protéine DODA d' Amanita muscaria, bien que celle-ci complémente aussi la pigmentation des pétales blancs de Pg. La biosynthèse des bétalaïnes est un exemple remarquable de convergence évolutive biochimique indépendante entre espèces de règnes différents. ABSTRACT Betalains are violet and yellow chromo-alkaloid pigments present in plants belonging to the order Caryophyllales and also in the fungal genera Amanita and Hygrocybe. Their short biosynthetic pathway is chemically well understood since many years, but enzymes involved in the plant pathway are still uncharacterized. The DOPA-dioxygenase from Amanita muscaria was identified (Girod and Zryd, 1991a), but numerous attempts to identify a plant homologue to the corresponding gene, failed. In order to isolate betalain-specific genes in plants, subtractive cDNA libraries were built with total RNA from white and yellow and respectively, violet immature petals from Portulaca grandiflora (Pg) genotypes. Colour-specific clones were first detected by Northern blot analysis using RNA from white and coloured petals. Positive candidates were submitted to further transcription analysis in coloured, green stems and leaves in order to assess their specific expression. Two full-length mRNAs showed a correlated expression with betalain accumulation in tissues. One of them, A.16, encodes a putative acyl-Coenzyme A oxidase (ACX), but missing the FAD binding domain essential for the ACX activity. Thus, all attempts to demonstrate its function failed. The role of this protein in the betalain biosynthesis pathway, if any, is still unknown. The second betalain-specific mRNA, L.6 (isolated by Zaiko, 2000) shows a homology with a LigB domain (pfam02900) from a bacterial extradiol 4,5-dioxygenase. It was then renamed DODA (DOPA-dioxygenase). DODA was identified in silico as a highly conserved extradiol dioxygenase due to the strict conservation of its peptidic sequence with LigB catalytic residues and iron-binding cofactor residues. Southern blot analysis showed that this gene is a single copy-gene in Pg. Transient expression of DODA protein through biolistic transformation of Pg white petals produced violet or yellow spots in individual cells. HPLC analysis of these spots showed an identity with betalain pigments present naturally in yellow and violet Pg petals, thus confirming the complementation of the recessive cc allele present in Pg white petals by Pg DODA gene. DODA homologues were identified in numerous plant species including those without betalain. Alignment of these homologues allowed the identification of a betalain-specific pattern beside a highly conserved catalytic histidine. This [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] pattern replaces a [H-N-L-R] pattern strictly conserved in non-betalain plants and a [H-N-L-x] pattern present in all bacterial and archaebacterial homologues. Preliminary three-dimensional modeling of the active site of Pg DODA and its Physcomitrella patens moss homologue revealed the importance of this betalain-specific pattern for the substrate accessibility to the DODA active site. DODA phylogenetic analysis confirmed the separate evolution of this protein in betalain-producing plants. We conclude that betalain pigments appeared in a unique ancestor of the Caryophyllales order in which anthocyanin biosynthetic pathway was impaired, by a modification of enzymes of the DODA family for substrate affinity. The Pg DODA protein has no sequence similarity with Amanita muscaria DODA, despite the fact that they both complement Pg white petals for their pigmentation. Betalain biosynthesis is an interesting example of independent biochemical evolutionary convergence between species from different kingdoms.

Bartonella apis sp. nov., a honey bee gut symbiont of the class Alphaproteobacteria.

Here, we report the culture and characterization of an alphaproteobacterium of the order Rhizobiales, isolated from the gut of the honey bee Apis mellifera. Strain PEB0122T shares >95 % 16S rRNA gene sequence similarity with species of the genus Bartonella, a group of mammalian pathogens transmitted by bloodsucking arthropods. Phylogenetic analyses showed that PEB0122T and related strains from the honey bee gut form a sister clade of the genus Bartonella. Optimal growth of strain PEB0122T was obtained on solid media supplemented with defibrinated sheep blood under microaerophilic conditions at 35-37 °C, which is consistent with the cultural characteristics of other species of the genus Bartonella. Reduced growth of strain PEB0122T also occurred under aerobic conditions. The rod-shaped cells of strain PEB0122T had a mean length of 1.2-1.8 μm and revealed hairy surface structures. Strain PEB0122T was positive for catalase, cytochrome c oxidase, urease and nitrate reductase. The fatty acid composition was comparable to those of other species of the genus Bartonella, with palmitic acid (C16 : 0) and isomers of 18- and 19-carbon chains being the most abundant. The genomic DNA G+C content of PEB0122T was determined to be about 45.5 mol%. The high 16S rRNA gene sequence similarity with species of Bartonella and its close phylogenetic position suggest that strain PEB0122T represents a novel species within the genus Bartonella, for which we propose the name Bartonella apis sp. nov. The type strain is PEB0122T ( = NCIMB 14961T = DSM 29779T).

Identification of Rhizoctonia solani associated with soybean in Brazil by rDNA-ITS sequences

The aim of this study was to identify isolates of Rhizoctonia solani causing hypocotyl rot and foliar blight in soybean (Glycine max) in Brazil by the nucleotide sequences of ITS-5.8S regions of rDNA. The 5.8S rDNA gene sequence (155 bp) was highly conserved among all isolates but differences in length and nucleotide sequence of the ITS1 and ITS2 regions were observed between soybean isolates and AG testers. The similarity of the nucleotide sequence among AG-1 IA isolates, causing foliar blight, was 95.1-100% and 98.5-100% in the ITS1 and ITS2 regions, respectively. The nucleotide sequence similarity among subgroups IA, IB and IC ranged from 84.3 to 89% in ITS1 and from 93.3 to 95.6% in ITS2. Nucleotide sequence similarity of 99.1% and 99.3-100% for ITS1 and ITS2, respectively, was observed between AG-4 soybean isolates causing hypocotyl rots and the AG-4 HGI tester. The similarity of the nucleotide sequence of the ITS-5.8S rDNA region confirmed that the R. solani Brazilian isolates causing foliar blight are AG-1 IA and isolates causing hypocotyl rot symptoms are AG-4 HGI. The ITS-5.8S rDNA sequence was not determinant for the identification of the AG-2-2 IIIB R. solani soybean isolate.

A tobacco cDNA reveals two different transcription patterns in vegetative and reproductive organs

In order to identify genes expressed in the pistil that may have a role in the reproduction process, we have established an expressed sequence tags project to randomly sequence clones from a Nicotiana tabacum stigma/style cDNA library. A cDNA clone (MTL-8) showing high sequence similarity to genes encoding glycine-rich RNA-binding proteins was chosen for further characterization. Based on the extensive identity of MTL-8 to the RGP-1a sequence of N. sylvestris, a primer was defined to extend the 5' sequence of MTL-8 by RT-PCR from stigma/style RNAs. The amplification product was sequenced and it was confirmed that MTL-8 corresponds to an mRNA encoding a glycine-rich RNA-binding protein. Two transcripts of different sizes and expression patterns were identified when the MTL-8 cDNA insert was used as a probe in RNA blots. The largest is 1,100 nucleotides (nt) long and markedly predominant in ovaries. The smaller transcript, with 600 nt, is ubiquitous to the vegetative and reproductive organs analyzed (roots, stems, leaves, sepals, petals, stamens, stigmas/styles and ovaries). Plants submitted to stress (wounding, virus infection and ethylene treatment) presented an increased level of the 600-nt transcript in leaves, especially after tobacco necrosis virus infection. In contrast, the level of the 1,100-nt transcript seems to be unaffected by the stress conditions tested. Results of Southern blot experiments have suggested that MTL-8 is present in one or two copies in the tobacco genome. Our results suggest that the shorter transcript is related to stress while the larger one is a flower predominant and nonstress-inducible messenger.

Regulation of Systemic Acquired Resistance through the Interaction of Arabidopsis thaliana Transcription factors TGAI and TGA2 with NPRI

Arabidopsis thaliana is an established model plant system for studying plantpathogen interactions. The knowledge garnered from examining the mechanism of induced disease resistance in this model system can be applied to eliminate the cost and danger associated with current means of crop protection. A specific defense pathway, known as systemic acquired resistance (SAR), involves whole plant protection from a wide variety of bacterial, viral and fungal pathogens and remains induced weeks to months after being triggered. The ability of Arabidopsis to mount SAR depends on the accumulation of salicylic acid (SA), the NPRI (non-expressor of pathogenesis related gene 1) protein and the expression of a subset of pathogenesis related (PR) genes. NPRI exerts its effect in this pathway through interaction with a closely related class of bZIP transcription factors known as TGA factors, which are named for their recognition of the cognate DNA motif TGACG. We have discovered that one of these transcription factors, TGA2, behaves as a repressor in unchallenged Arabidopsis and acts to repress NPRI-dependent activation of PRJ. TGA1, which bears moderate sequence similarity to TGA2, acts as a transcriptional activator in unchallenged Arabidopsis, however the significance of this activity is J unclear. Once SAR has been induced, TGAI and TGA2 interact with NPRI to form complexes that are capable of activating transcription. Curiously, although TGAI is capable of transactivating, the ability of the TGAI-NPRI complex to activate transcription results from a novel transactivation domain in NPRI. This transactivation domain, which depends on the oxidation of cysteines 521 and 529, is also responsible for the transactivation ability of the TGA2-NPRI complex. Although the exact mechanism preventing TGA2-NPRI interaction in unchallenged Arabidopsis is unclear, the regulation of TGAI-NPRI interaction is based on the redox status of cysteines 260 and 266 in TGAl. We determined that a glutaredoxin, which is an enzyme capable of regulating a protein's redox status, interacts with the reduced form of TGAI and this interaction results .in the glutathionylation of TGAI and a loss of interaction with NPRl. Taken together, these results expand our understanding of how TGA transcription factors and NPRI behave to regulate events and gene expression during SAR. Furthermore, the regulation of the behavior of both TGAI and NPRI by their redox status and the involvement of a glutaredoxin in modulating TGAI-NPRI interaction suggests the redox regulation of proteins is a general mechanism implemented in SAR.

Transposable Elements Are a Significant Contributor to Tandem Repeats in the Human Genome

Sequence repeats are an important phenomenon in the human genome, playing important roles in genomic alteration often with phenotypic consequences. The two major types of repeat elements in the human genome are tandem repeats (TRs) including microsatellites, minisatellites, and satellites and transposable elements (TEs). So far, very little has been known about the relationship between these two types of repeats. In this study, we identified TRs that are derived from TEs either based on sequence similarity or overlapping genomic positions. We then analyzed the distribution of these TRs among TE families/subfamilies. Our study shows that at least 7,276 TRs or 23% of all minisatellites/satellites is derived from TEs, contributing ∼0.32% of the human genome. TRs seem to be generated more likely from younger/more active TEs, and once initiated they are expanded with time via local duplication of the repeat units. The currently postulated mechanisms for origin of TRs can explain only 6% of all TE-derived TRs, indicating the presence of one or more yet to be identified mechanisms for the initiation of such repeats. Our result suggests that TEs are contributing to genome expansion and alteration not only by transposition but also by generating tandem repeats.

Caractérisation moléculaire du rôle de facteurs accessoires ArgR et PepA au niveau de la recombinaison spécifique sur le site cer

Mon projet de recherche avait pour but de caractériser le rôle de deux protéines, ArgR et PepA, qui agissent en tant que facteurs accessoires de la recombinaison au niveau de deux sites cer du plasmide ColE1 présent dans la bactérie Escherichia coli. Ces deux protéines, couplées aux deux recombinases à tyrosine XerC et XerD, permettent la catalyse de la recombinaison site spécifique au niveau de la séquence cer, convertissant les multimères instables de ColE1 en monomères stables. Cette étude a principalement porté sur la région C-terminale de la protéine ArgR. Cette région de la protéine ArgR possède une séquence en acides-aminés et une structure similaire à celle de la protéine AhrC de Bacillus subtilis. De plus, AhrC, le répresseur de l’arginine de cette bactérie, est capable de complémenter des Escherichia coli mutantes déficientes en ArgR. Les régions C-terminales de ces protéines, montrent une forte similarité. De précédents travaux dans notre laboratoire ont démontré que des mutants d’ArgR comprenant des mutations dans cette région, en particulier les mutants ArgR149, une version tronquée d’ArgR de 149 acides-aminés, et ArgR5aa, une version comprenant une insertion de cinq acides-aminés dans la partie C-terminale, perdaient la capacité de permettre la recombinaison au niveau de deux sites cer présents dans le plasmide pCS210. Malgré cette incapacité à promouvoir la réaction de recombinaison en cer, ces deux mutants étaient toujours capables de se lier spécifiquement à l’ADN et de réprimer une fusion argA :: lacZ. Dans ce travail, les versions mutantes et sauvages d’ArgR furent surexprimées en tant que protéines de fusion 6-histidine. Des analyses crosslinking ont montré que la version sauvage et ArgR5aa pouvaient former des hexamères in-vitro de manière efficace, alors qu’ArgR149 formait des multimères de plus faible poids moléculaire. Des formes tronquées d’ArgR qui comportaient 150 acides-aminés ou plus, étaient encore capables de permettre la recombinaison en cer. Les mutants par substitution ArgRL149A et ArgRL151A ont tous montré que les substitutions d’un seul acide-aminé au sein de cette région avaient peu d’effets sur la recombinaison en cer. Les expériences de crosslinking protéine-à-protéine ont montré que le type sauvage et les formes mutantes d’ArgR étaient capables d’interagir avec la protéine accessoire PepA, également impliquée dans la recombinaison en cer. Les expériences de recombinaison in-vitro utilisant la forme sauvage et les formes mutantes d’ArgR combinées avec les protéines PepA, XerC et XerD purifiées, ont montré que le mutant ArgR149 ne soutenait pas la recombinaison, mais que le mutant ArgR5aa permettait la formation d’une jonction d’Holliday. Des expériences de topologie ont montré que PepA était capable de protéger l’ADN de la topoisomérase 1, et d’empêcher ArgRWt de se lier à l’ADN. Les deux mutants ArgR149 et ArgR5aa protègent aussi l’ADN avec plus de surenroulements. Quand on ajoute PepA, les profils de migration montrent un problème de liaison des deux mutants avec PepA. D’autres expériences impliquant le triplet LEL (leucine-acide glutamique-leucine) et les acides-aminés alentour devraient être réalisés dans le but de connaitre l’existence d’un site de liaison potentiel pour PepA.

Évolution de familles de gènes par duplications et pertes : algorithmes pour la correction d’arbres bruités

Les gènes sont les parties du génome qui codent pour les protéines. Les gènes d’une ou plusieurs espèces peuvent être regroupés en "familles", en fonction de leur similarité de séquence. Cependant, pour connaître les relations fonctionnelles entre ces copies de gènes, la similarité de séquence ne suffit pas. Pour cela, il est important d’étudier l’évolution d’une famille par duplications et pertes afin de pouvoir distinguer entre gènes orthologues, des copies ayant évolué par spéciation et susceptibles d’avoir conservé une fonction commune, et gènes paralogues, des copies ayant évolué par duplication qui ont probablement développé des nouvelles fonctions. Étant donnée une famille de gènes présents dans n espèces différentes, un arbre de gènes (obtenu par une méthode phylogénétique classique), et un arbre phylogénétique pour les n espèces, la "réconciliation" est l’approche la plus courante permettant d’inférer une histoire d’évolution de cette famille par duplications, spéciations et pertes. Le degré de confiance accordé à l’histoire inférée est directement relié au degré de confiance accordé à l’arbre de gènes lui-même. Il est donc important de disposer d’une méthode préliminaire de correction d’arbres de gènes. Ce travail introduit une méthodologie permettant de "corriger" un arbre de gènes : supprimer le minimum de feuilles "mal placées" afin d’obtenir un arbre dont les sommets de duplications (inférés par la réconciliation) sont tous des sommets de "duplications apparentes" et obtenir ainsi un arbre de gènes en "accord" avec la phylogénie des espèces. J’introduis un algorithme exact pour des arbres d’une certaine classe, et une heuristique pour le cas général.

Caractérisation des complexes ribonucléoprotéiques de Staufen1 et Staufen2

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