Characterization of the phosphorylation of thylakoid membrane proteins from cyanobacterium synechococcus sp. PCC 6301 in light state 1 and light state 2

The distribution of excitation energy between the two photosystems (PSII and PSI) of photosynthesis is regulated by the light state transition. Three models have been proposed for the mechanism of the state transition in phycobilisome (PBS) containing organisms, two involving protein phosphorylation. A procedure for the rapid isolation of thylakoid membranes and PBS fractions from the cyanobacterium Synechococcus m. PCC 6301 in light state 1 and light state 2 was developed. The phosphorylation of thylakoid and soluble proteins rapidly isolated from intact cells in state 1 and state 2 was investigated. 77 K fluorescence emission spectra revealed that rapidly isolated thylakoid membranes retained the excitation energy distribution characteristic of intact cells in state 1 and state 2. Phosphoproteins were identified by gel electrophoresis of both thylakoid membrane and phycobilisome fractions isolated from cells labelled with 32p orthophosphate. The results showed very close phosphoprotein patterns for either thylakoid membrane or PBS fractions in state 1 and state 2. These results do not support proposed models for the state transition which required phosphorylation of PBS or thylakoid membrane proteins.

Heterogeneity of photosystem II as it occurs in domain specific regions of the thylakoid membrane of spinach (spinacia oleracia L.)

Thylakoid membrane fractions were prepared from specific regions of thylakoid membranes of spinach (Spinacia oleracea). These fractions, which include grana (83), stroma (T3), grana core (8S), margins (Ma) and purified stroma (Y100) were prepared using a non-detergent method including a mild sonication and aqueous two-phase partitioning. The significance of PSlla and PSII~ centres have been described extensively in the literature. Previous work has characterized two types of PSII centres which are proposed to exist in different regions of the thylakoid membrane. a-centres are suggested to aggregate in stacked regions of grana whereas ~-centres are located in unstacked regions of stroma lamellae. The goal of this study is to characterize photosystem II from the isolated membrane vesicles representing different regions of the higher plant thylakoid membrane. The low temperature absorption spectra have been deconvoluted via Gaussian decomposition to estimate the relative sub-components that contribute to each fractions signature absorption spectrum. The relative sizes of the functional PSII antenna and the fluorescence induction kinetics were measured and used to determine the relative contributions of PSlla and PSII~ to each fraction. Picosecond chlorophyll fluorescence decay kinetics were collected for each fraction to characterize and gain insight into excitation energy transfer and primary electron transport in PSlla and PSII~ centres. The results presented here clearly illustrate the widely held notions of PSII/PS·I and PSlIa/PSII~ spatial separation. This study suggests that chlorophyll fluorescence decay lifetimes of PSII~ centres are shorter than those of PSlIa centres and, at FM, the longer lived of the two PSII components renders a larger yield in PSlIa-rich fractions, but smaller in PSIlr3-rich fractions.

X-ray diffraction of a gram-negative bacterial membrane mimetic

This thesis applies x-ray diffraction to measure he membrane structure of lipopolysaccharides and to develop a better model of a LPS bacterial melilbrane that can be used for biophysical research on antibiotics that attack cell membranes. \iVe ha'e Inodified the Physics department x-ray machine for use 3.'3 a thin film diffractometer, and have lesigned a new temperature and relative humidity controlled sample cell.\Ve tested the sample eel: by measuring the one-dimensional electron density profiles of bilayers of pope with 0%, 1%, 1G :VcJ, and 100% by weight lipo-polysaccharide from Pse'udo'lTwna aeTuginosa. Background VVe now know that traditional p,ntibiotics ,I,re losing their effectiveness against ever-evolving bacteria. This is because traditional antibiotic: work against specific targets within the bacterial cell, and with genetic mutations over time, themtibiotic no longer works. One possible solution are antimicrobial peptides. These are short proteins that are part of the immune systems of many animals, and some of them attack bacteria directly at the membrane of the cell, causing the bacterium to rupture and die. Since the membranes of most bacteria share common structural features, and these featuret, are unlikely to evolve very much, these peptides should effectively kill many types of bacteria wi Lhout much evolved resistance. But why do these peptides kill bacterial cel: '3 , but not the cells of the host animal? For gramnegative bacteria, the most likely reason is that t Ileir outer membrane is made of lipopolysaccharides (LPS), which is very different from an animal :;ell membrane. Up to now, what we knovv about how these peptides work was likely done with r !10spholipid models of animal cell membranes, and not with the more complex lipopolysa,echaricies, If we want to make better pepticies, ones that we can use to fight all types of infection, we need a more accurate molecular picture of how they \vork. This will hopefully be one step forward to the ( esign of better treatments for bacterial infections.

Investigation of the Expression of Glucose Transporter Proteins in Human Cancer Cells

Cancer cells are known to display increased glucose uptake and consumption. The glucose transporter (GLUT) proteins facilitate glucose uptake, however, their exact role in cancer metabolism remains unclear. The present study examined mRNA and protein expression of GLUT1, GLUT3, GLUT4 and GLUT12 in lung, breast and prostate cancer cells and corresponding noncancerous cells. Additionally, GLUT expression was determined in tumours from mice xenografted with human cancer cells. Differences in the mRNA and protein expression of GLUTs were found between cancerous and corresponding noncancerous cells. These findings demonstrate abundant expression of GLUT1 in cancer and highlight the importance of GLUT3 as it was expressed in several cancer cells and tumours. GLUT expression patterns in vitro were supported by the in vivo findings. The study of GLUT protein expression in cancer is important for understanding cancer metabolism and may lead to identification of biomarkers of cancer progression and development of target therapies.

Preliminary characterization of VmTPT2, a putative monoterpene indole alkaloid (MIA) transporter from Vinca minor L. (Apocynaceae)

The various steps of monoterpene indole alkaloid (MIA) biosynthesis are known to occur in specialized cell types and subcellular compartments. Numerous MIAs display powerful biological activities that have led to their use as pharmaceutical treatments for cancer, hypertension and malaria. Many of these compounds accumulate on the leaf surface of medicinally important Apocynaceae plants, which led to the recent discovery and characterization of an ABC transporter (CrTPT2) that was shown to mobilize catharanthine from its site of biosynthesis in epidermal cells to the leaf surface of Catharanthus roseus. Bioinformatic analysis of transcriptomes from several geographically distant MIA-producing species led to the identification of proteins with high amino acid sequence identity to CrTPT2. Molecular cloning of a similar transporter (VmTPT2) from Vinca minor was carried out and expressed in a yeast heterologous system for transport experiments and functional characterization. In planta studies involved transcript expression analysis of the early MIA biosynthetic gene VmTDC and putative transporter VmTPT2, and alkaloid profile analyses. RT-qPCR results showed that VmTPT2 expression increased 15-fold between the first two leaf pairs, and high levels were maintained across older leaves. The alkaloid accumulation profile on leaf surfaces matched that of VmTPT2 expression, especially for the MIAs vincadifformine and vincamine. Gene expression and alkaloid profile analyses suggest that the functional protein may act as a similar transporter to CrTPT2. However, although VmTPT2 had 88.4% identity at the amino acid level to CrTPT2, it displayed an altered expression pattern in planta across developing leaves, and functional characterization using a previously developed yeast heterologous system was unsuccessful due to difficulties with reproducibility of transport assays.

The Role of Membrane Lipid Composition on Sarco(endo)plasmic Reticulum Calcium ATPase Function in Rat Soleus Muscle

Sarco(endo)plasmic reticulum calcium ATPase (SERCA) is a transmembrane protein whose function is regulated by its immediate lipid environment (annulus). The composition of the annulus is currently unknown or it’s susceptibility to a high saturated fat diet (HSFD). Furthermore it is uncertain if HSFD can protect SERCA from thermal stress. The purpose of the study was to determine SERCA annular lipid composition, resulting impact of a HSFD, and in turn, influence on SERCA activity with and without thermal stress. The major findings were annular lipids were shorter and more saturated compared to whole homogenate and HSFD had no effect on annular lipid composition or SERCA activity with and without thermal stress. Both average chain length and unsaturation index were positively correlated with SERCA activity with and without thermal stress. These findings suggest that annular lipid composition is different than whole homogenate and its composition appears to be related to SERCA function.

The Role of Membrane Lipid Composition on Skeletal Muscle Damage in the Rodent Model of Duchenne Muscular Dystrophy

Duchenne muscular dystrophy is a X-linked muscle disease, which leads to alterations in membrane phospholipid fatty acid (FA) composition and skeletal muscle damage. Increased membrane saturated FA in muscular dystrophy may suggest its association with increased susceptibility (as being the cause or consequence) to muscle damage. It was hypothesised that increased saturation is positively correlated to increased muscle damage. Correlations were hypothesized to be greater in extensor digitorum longus (EDL) at 20 weeks compared to soleus (SOL) at 10 weeks in dystrophin deficient (mdx) mice. Increased saturation was correlated to damage in EDL at both 10 and 20 weeks, with stronger correlations at 10 weeks. The results suggest that membrane PL FA composition may be associated with damage through two possible means. Increased saturation may be a cause or consequence of membrane damage. Association of membrane composition with eccentric induced damage has underscored the importance of saturated PL FA compositions in damage to dystrophic myofibres.

Role of Phosphorylation of the Oxysterol Binding Protein (OSBP) in (PI(4)P) and Sterol-Containing Membrane Recognition and Binding

Studies have demonstrated that the oxysterol binding protein (OSBP) acts as a phosphatidylinositol phosphate (PIP)-sterol exchanger at membrane contact sites (MCS) of the endoplasmic reticulum (ER) and Golgi. OSBP is known to pick up phosphatidylinositol-4-phosphate (PI(4)P) from the ER, transfer it to the trans-Golgi in exchange for a cholesterol molecule that is then transferred from the trans-Golgi to the ER. Upon further examination of this pathway by Ridgway et al. (1), it appeared that phosphorylation of OSBP played a role in the localization of OSBP. The dephosphorylation state of OSBP was linked to Golgi localization and the depletion of cholesterol at the ER. To mimic the phosphorylated state of OSBP, the mutant OSBP-S5E was designed by Ridgway et al. (1). The lipid and sterol recognition by wt-OSBP and its phosphomimic mutant OSBP-S5E were investigated using immobilized lipid bilayers and dual polarization interferometry (DPI). DPI is a technique in which the protein binding affinity to immobilized lipid bilayers is measured and the binding behavior is examined through real time. Lipid bilayers containing 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) and varying concentrations of PI(4)Ps or sterols (cholesterol or 25-hydroxycholesterol) were immobilized on a silicon nitride chip. It was determined that wt-OSBP binds differently to PI(4)P-containing bilayers compared to OSBP-S5E. The binding behavior suggested that wt-OSBP extracts PI(4)P and the change in the binding behavior, in the case of OSBP-S5E, suggested that the phosphorylation of OSBP may prevent the recognition and/or extraction of PI(4)P. In the presence of sterols, the overall binding behavior of OSBP, regardless of phosphorylation state, was fairly similar. The maximum specific bound mass of OSBP to sterols did not differ as the concentration of sterols increased. However, comparing the maximum specific bound mass of OSBP to cholesterol with oxysterol (25-hydroxycholesterol), OSBP displayed nearly a 2-fold increase in bound mass. With the absence of the wt-OSBP-PI(4)P binding behavior, it can be speculated that the sterols were not extracted. In addition, the binding behavior of OSBP was further tested using a fluorescence based binding assay. Using 22-(N-(7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-yl)amino)-23,24-bisnor-5-cholen-3β-ol (22-NBD cholesterol), wt-OSBP a one site binding dissociation constant Kd, of 15 ± 1.4 nM was determined. OSBP-S5E did not bind to 22-NBD cholesterol and Kd value was not obtained.

Caractérisation du co-transporteur Na+/myo-inositol SMIT2 dans les membranes en bordure en brosse de rein de lapin et d’intestin de rat

Le myo-inositol (MI) est un soluté organique impliqué dans diverses fonctions physiologiques de la cellule dont la signalisation cellulaire. Il est également un osmolyte compatible reconnu. Trois co-transporteurs de type actif secondaire responsables de son absorption ont été identifiés. Deux d’entre eux sont couplés au transport du sodium (SMIT1 et SMIT2) et le troisième est couplé au transport de protons (HMIT). L’objectif de cette étude a été la caractérisation du transport du MI par SMIT2 dans des membranes en bordure en brosse (BBMv) issues du rein de lapin et de l’intestin de rat ainsi qu’après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis. La quantification de l’ARNm de SMIT1 et de SMIT2 dans le rein nous a appris que SMIT1 est majoritairement présent dans la médullaire alors que SMIT2 est principalement localisé dans le cortex. Ces résultats ont été confirmés par immunobuvardage en utilisant un anticorps dirigé contre SMIT2. Grâce à l’inhibition sélective de SMIT1 par le L-Fucose et de SMIT2 par le D-chiro-inositol (DCI), nous avons démontré que SMIT2 semble le seul responsable du transport luminal de MI dans le tubule contourné proximal avec un Km de 57 ± 14 µM. Pour ce qui est de l’intestin, des études de transport de MI radioactif ont démontré une absence de transport de MI chez le lapin alors que l’intestin de rat présente un transport de MI très actif. Une quantification par qRT-PCR nous a permis de constater que l’intestin de lapin ne semble pas posséder les transporteurs de MI nécessaires. Comme pour le rein, SMIT2 semble le seul transporteur de MI présent au niveau du pôle apical des entérocytes intestinaux chez le rat. Il est chargé du prélèvement du MI de l'alimentation avec un Km de 150 ± 40 µM. Les analyses fonctionnelles exécutées sur SMIT2 de rat en électrophysiologie après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis donnent sensiblement les mêmes résultats que pour les BBMv de rein de lapin et d’intestin de rat. Dans les ovocytes, SMIT2 présente une grande affinité pour le MI (270 ± 19 µM) et le DCI (310 ± 60 µM) et aucune affinité pour le L-fucose. Il est ii également très sensible à la phlorizine (16 ± 7 µM). Une seule exception persiste : la constante d’affinité pour le glucose dans les BBMv d’intestin de rat est 40 fois plus petite que celle observée sur les ovocytes de Xenopus laevis. Nous avons également testé la capacité de certains transporteurs de sucre présents à la surface des membranes apicales des entérocytes à prélever le MI. Vu que l'inhibition de ces transporteurs (SGLT1 et GLUT5) ne changeait rien au taux de MI radioactif transporté, nous en avons conclu qu'ils ne sont pas impliqués dans son transport. Finalement, l’efflux de MI à partir du pôle basolatéral des entérocytes n’est pas effectué par GLUT2 puisque ce dernier lorsqu'il est exprimé dans des ovocytes, est incapable de transporter le MI.

Influence de l’agrégation érythrocytaire sur la migration axiale de microparticules simulant des plaquettes sanguines

Lors du phénomène d’hémostase primaire ou de thrombose vasculaire, les plaquettes sanguines doivent adhérer aux parois afin de remplir leur fonction réparatrice ou pathologique. Pour ce faire, certains facteurs rhéologiques et hémodynamiques tels que l’hématocrite, le taux de cisaillement local et les contraintes de cisaillement pariétal, entrent en jeu afin d’exclure les plaquettes sanguines de l’écoulement principal et de les transporter vers le site endommagé ou enflammé. Cette exclusion pourrait aussi être influencée par l’agrégation de globules rouges qui est un phénomène naturel présent dans tout le système cardiovasculaire selon les conditions d’écoulement. La dérive de ces agrégats de globules rouges vers le centre des vaisseaux provoque la formation de réseaux d’agrégats dont la taille et la complexité varient en fonction de l’hématocrite et des conditions de cisaillement présentes. Il en résulte un écoulement bi-phasique avec un écoulement central composé d’agrégats de globules rouges avoisinés par une région moins dense en particules où l’on peut trouver des globules rouges singuliers, des petits rouleaux de globules rouges et une importante concentration en plaquettes et globules blancs. De ce fait, il est raisonnable de penser que plus la taille des agrégats qui occupent le centre du vaisseau augmente, plus il y aura de plaquettes expulsées vers les parois vasculaires. L'objectif du projet est de quantifier, in vitro, la migration des plaquettes sanguines en fonction du niveau d’agrégation érythrocytaire présent, en faisant varier l’hématocrite, le taux de cisaillement et en promouvant l’agrégation par l’ajout d’agents tels que le dextran à poids moléculaire élevé. Cependant, le comportement non Newtonien du sang dans un écoulement tubulaire peut être vu comme un facteur confondant à cause de son impact sur l’organisation spatiale des agrégats de globules rouges. De ce fait, les études ont été réalisées dans un appareil permettant de moduler, de façon homogène, la taille et la structure de ces agrégats et de quantifier ainsi leur effet sur la migration axiale des plaquettes. Du sang de porc anti coagulé a été ajusté à différents taux d’hématocrite et insérer dans un appareil à écoulement de Couette, à température ambiante. Les plaquettes sanguines, difficilement isolables in vitro sans en activer certains ligands membranaires, ont été remplacées par des fantômes en polystyrène ayant un revêtement de biotine. La quantification de la migration de ces fantômes de plaquettes a été réalisée grâce à l’utilisation de membranes biologiques fixées sur les parois internes de l’entrefer du rhéomètre de Couette. Ces membranes ont un revêtement de streptavidine assurant une très forte affinité d’adhésion avec les microparticules biotynilées. À 40% d’hématocrite, à un cisaillement de 2 s-1, 566 ± 53 microparticules ont été comptées pour un protocole préétabli avec du sang non agrégeant, comparativement à 1077 ± 229 pour du sang normal et 1568 ± 131 pour du sang hyper agrégeant. Les résultats obtenus suggèrent une nette participation de l’agrégation érythrocytaire sur le transport des fantômes de plaquettes puisque l’adhésion de ces derniers à la paroi du rhéomètre de Couette augmente de façon quasi exponentielle selon le niveau d’agrégation présent.

Rôle de l’extrémité C-terminale dans l’expression du canal calcique Cav1.2 à la membrane plasmique

Le canal calcique de type L, Cav1.2, joue un rôle clé dans le couplage excitation-contraction des myocytes ventriculaires. Il a été montré que la sous-unité Cavα1 était sujette à l’épissage alternatif et que ce phénomène pouvait mener à une protéine tronquée en C-terminal au niveau de l’exon 45 (Liao, Yong et al. 2005). D’autres groupes ont étudié différentes délétions au niveau de l’extrémité C-terminale (De Jongh, Warner et al. 1991; Gao, Cuadra et al. 2001). Les courants mesurés dans la configuration cellule entière, était significativement plus grands que le canal « pleine longueur ». Nous avons décidé de tester certaines de ces délétions (ΔC2030, ΔC1935, ΔC1856, ΔC1733, ΔC1700) en présence ou en absence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3, susceptible d’interagir avec l’extrémité C-terminale de la sous-unité Cavα1 par l’intermédiaire de son domaine SH3 (Lao, Kobrinsky et al. 2008). Les résultats obtenus dans les ovocytes de Xénope ont mis en évidence que les sous-unités Cavα1.2 tronquées montraient des courants globaux plus élevés que le canal « pleine longueur » en présence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3 et que les sous-unités Cavα1.2 tronquées donnaient des courants en absence de la sous-unité Cavβ3 contrairement à la sous-unité Cavα1.2 « pleine longueur ». Afin de vérifier si l’augmentation des courants macroscopiques était le résultat d’une augmentation du nombre de sous-unités Cavα1.2 à la membrane, nous avons choisi de quantifier la fluorescence spécifiquement due à cette sous-unité en utilisant la méthode de cytométrie de flux (FACS : « Fluorescence Activated Cell Sorting »). L’épitope HA a été inséré dans une région extracellulaire de la sous-unité Cavα1 du canal calcique Cav1.2 et un anticorps anti-HA couplé au FITC (« Fluorescein IsoThioCyanate ») a été utilisé pour observer la fluorescence. Nos résultats confirment que la sous-unité Cavα1-HA du canal calcique Cav1.2, s’exprime à la membrane plasmique en présence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3, et qu’en absence de celle-ci, ne s’exprime que peu ou pas à la membrane. Les mêmes résultats ont été obtenus pour les trois délétions testées dans les mêmes conditions soit Cavα1.2-HA ΔC1935, Cavα1.2-HA ΔC1856 et Cavα1.2-HA ΔC1733. Ensemble, ces résultats suggèrent que l’augmentation des courants macroscopiques observés après une délétion partielle du C-terminal n’est pas causée par une augmentation du nombre de protéines Cavα1.2 à la membrane.

La méthode IIM pour une membrane immergée dans un fluide incompressible

La méthode IIM (Immersed Interface Method) permet d'étendre certaines méthodes numériques à des problèmes présentant des discontinuités. Elle est utilisée ici pour étudier un fluide incompressible régi par les équations de Navier-Stokes, dans lequel est immergée une membrane exerçant une force singulière. Nous utilisons une méthode de projection dans une grille de différences finies de type MAC. Une dérivation très complète des conditions de saut dans le cas où la viscosité est continue est présentée en annexe. Deux exemples numériques sont présentés : l'un sans membrane, et l'un où la membrane est immobile. Le cas général d'une membrane mobile est aussi étudié en profondeur.

Fonction de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus

La fixation de l’azote diatomique est un processus très important à la vie, vu sa nécessité dans la biosynthèse de plusieurs molécules de base; acides aminés, acides nucléiques, etc. La réduction de l’azote en ammoniaque est catalysée par la nitrogénase, une enzyme consommatrice de beaucoup d’énergie étant donné qu’elle nécessite 20 à 30 moles d’ATP pour la réduction d’une mole d’azote. De ce fait une régulation rigoureuse est exigée afin de minimiser le gaspillage d’énergie. Plusieurs systèmes de contrôle sont connus, aussi bien au niveau post-traductionnel que traductionnel. Chez la bactérie photosynthétique pourpre non-sulfureuse R. capsulatus, la régulation de l’activité de la nitrogénase nécessite une panoplie de protéines dont la protéine membranaire AmtB, qui est impliquée dans le transport et la perception d’ammonium, et les protéines PII qui jouent plusieurs rôles clés dans la régulation de l’assimilation d’azote. Suite à l’ajout de l’ammonium dans le milieu, une inhibition réversible de l’activité de la nitrogénase est déclenchée via un mécanisme d’ADP-ribosylation de la nitrogénase. La séquestration de GlnK (une protéine PII) par l’AmtB permet à DraT, une ADP-ribosyltransférase, d’ajouter un groupement ADP-ribose sur la protéine-Fe de la nitrogénase l’empêchant ainsi de former un complexe avec la protéine-MoFe. Donc, le transfert d’électrons est bloqué, engendrant ainsi l’inhibition de l’activité de la nitrogénase qui dure aussi long que la concentration d’azote fixé reste élevé, phénomène appelé le « Switch-off/Switch-on » de la nitrogénase. Dans ce mémoire, pour mieux comprendre ce phénomène de régulation, des mutations ponctuelles au niveau de certains résidus conservés de la protéine AmtB, dont D338, G367, H193 et W237, étaient générées par mutagénèse dirigée, afin d’examiner d’avantage leur rôle dans le transport d’ammonium, la formation du complexe AmtB-GlnK, ainsi que dans le « Switch-off » et l’ADP-ribosylation. Les résultats permettent de conclure l’importance et la nécessité de certains résidus telle que le G367 dans la régulation de la nitrogénase et le transport d’ammonium, contrairement au résidu D338 qui ne semble pas être impliqué directement dans la régulation de l’activité de la nitrogénase. Ces résultats suggèrent d’autres hypothèses sur les rôles des acides aminés spécifiques d’AmtB dans ses fonctions comme transporteur et senseur d’ammonium.