The synthesis of a-Tocohexaenol, a new fluorescent analogue of a-Tocopherol

Since its discovery in 1922, vitamin E has been widely investigated for its role as a powerful, chain-breaking antioxidant that is required for human health. However, some basic issues still remain unclear, such as the mechanism and dynamics of the intracellular trafficking of a-tocopherol. To better understand tocopherol's biological activity at the cellular level, fluorescence spectroscopy and microscopy have been found to be valuable tools. This thesis reports the synthesis of a new fluorescent analogue of a-tocopherol, atocohexaenol, an intrinsically fluorescent analogue of a-tocopherol. Different methodologies of preparation have been attempted and a strategy using a preformed chromanol head plus ClO and Cs portion of the polyene side chain finally provided us the desired a-tocohexaenol. a-Tocohexaenol shows a strong fluorescence in both ethanol and hexanes with maximum Aab = 368 nm and maximum /...em = 521 nm. This compound is stable for a couple of weeks in ethanol or hexane solution if stored at 0 °C and protected form light. It decomposes slowly at room temperature and light will accelerate its decomposition (within 5 hours). Thus, a-Tocohexaenol may be a useful fluorescent probe to study the biochemistry and cell biology of vitamin E.

Protein subcellular targeting inTrichoderma aggressivum f. aggressivum

Trichoderma aggressivum f. aggressivum is a filamentous soil fungus. Green mold disease of commercial mushrooms caused by this species in North America has resulted in millions of dollars in lost revenue within the mushroom growing industry. Research on the molecular level of T aggressivum have jus t begun with the goal of understanding the functions of each gene and protein, and their expression control. Protein targeting has not been well studied in this species yet. Therefore, the intent of this study was to test the protein localization and production levels in T aggressivum with green fluorescent protein (GFP) with an intron and tagged with either nuclear localization signal (NLS) or an endoplasmic reticulum retention signal (KDEL). Two GFP constructs (with and without the intron) were used as controls in this study. All four constructs were successfully transferred into T aggressivum and all modified strains showed similar growth characteristics as the wild type non-transformed isolate. GFP expression was detected from all modified T aggressivum with confocal microscopy and the expression was similar in all four strains. The intron tested in this study had no or very minor effects as GFP expression was similar with or without it. The GFP signal increased over a 5 day period for all transformants, while the GFP to total protein ratio decreased over the same period for all transformants. The GFP-KDEL transformant showed similar protein expression level and localization as did the control transformant lacking the KDEL retention signal. The GFP-NLS transformant similarly failed to localize GFP into nucleus as fluorescence with this strain was virtually identical to the GFP transformant lacking the NLS. Thus, future research is required to find effective localization signals for T aggressivum.

Fluorescence Studies of Photosystem II Fluorescence Quenching During Desiccation

Poikilohydric organisms have developed mechanisms to protect their photosynthetic machinery during times of desiccation. In hydrated conditions nonphotochemical quenching (NPQ) mechanisms are able to safely dissipate excess excitation energy as heat, but mechanisms of NPQ associated with desiccation tolerance are still largely unclear. In the lichen Parmelia sulcata, photosystem protection has been associated with an energy quenching energetically coupled to PSII and characterized by a fast-fluorescence decay lifetime, and long-wavelength emission. The present study compares the relative ability of green algae and lichens to recover photosynthetic activity after periods of desiccation using steady state fluorescence emission spectroscopy, and picosecond time-resolved fluorescence decay measurements. It was determined that desiccation induced quenching involves an antenna quenching mechanism with similar characteristics appearing in both P. sulcata and green algae. Algae isolated from lichens suggest symbiosis in the lichen appears to enhance this naturally occurring phenomenon and provide greater protection during desiccation.

The Fast Regulation of Photosynthesis in Diatoms: an inquiry into the physiological and physical origins of non-photochemical chlorophyll fluorescence quenching.

Diatoms are renowned for their robust ability to perform NPQ (Non-Photochemical Quenching of chlorophyll fluorescence) as a dissipative response to heightened light stress on photosystem II, plausibly explaining their dominance over other algal groups in turbulent light environs. Their NPQ mechanism has been principally attributed to a xanthophyll cycle involving the lumenal pH regulated reversible de-epoxidation of diadinoxanthin. The principal goal of this dissertation is to reveal the physiological and physical origins and consequences of the NPQ response in diatoms during short-term transitions to excessive irradiation. The investigation involves diatom species from different originating light environs to highlight the diversity of diatom NPQ and to facilitate the detection of core mechanisms common among the diatoms as a group. A chiefly spectroscopic approach was used to investigate NPQ in diatom cells. Prime methodologies include: the real time monitoring of PSII excitation and de-excitation pathways via PAM fluorometry and pigment interconversion via transient absorbance measurements, the collection of cryogenic absorbance spectra to measure pigment energy levels, and the collection of cryogenic fluorescence spectra and room temperature picosecond time resolved fluorescence decay spectra to study excitation energy transfer and dissipation. Chemical inhibitors that target the trans-thylakoid pH gradient, the enzyme responsible for diadinoxanthin de-epoxidation, and photosynthetic electron flow were additionally used to experimentally manipulate the NPQ response. Multifaceted analyses of the NPQ responses from two previously un-photosynthetically characterised species, Nitzschia curvilineata and Navicula sp., were used to identify an excitation pressure relief ‘strategy’ for each species. Three key areas of NPQ were examined: (i) the NPQ activation/deactivation processes, (ii) how NPQ affects the collection, dissipation, and usage of absorbed light energy, and (iii) the interdependence of NPQ and photosynthetic electron flow. It was found that Nitzschia cells regulate excitation pressure via performing a high amplitude, reversible antenna based quenching which is dependent on the de-epoxidation of diadinoxanthin. In Navicula cells excitation pressure could be effectively regulated solely within the PSII reaction centre, whilst antenna based, diadinoxanthin de-epoxidation dependent quenching was implicated to be used as a supplemental, long-lasting source of excitation energy dissipation. These strategies for excitation balance were discussed in the context of resource partitioning under these species’ originating light climates. A more detailed investigation of the NPQ response in Nitzschia was used to develop a comprehensive model describing the mechanism for antenna centred non-photochemical quenching in this species. The experimental evidence was strongly supportive of a mechanism whereby: an acidic lumen triggers the diadinoxanthin de-epoxidation and protonation mediated aggregation of light harvesting complexes leading to the formation of quencher chlorophyll a-chlorophyll a dimers with short-lived excited states; quenching relaxes when a rise in lumen pH triggers the dispersal of light harvesting complex aggregates via deprotonation events and the input of diadinoxanthin. This model may also be applicable for describing antenna based NPQ in other diatom species.

Investigating Microbial Trace-fossils and Abiotic Alteration in Hydrovolcanic Tuffs of the Fort Rock Volcanic Field, Oregon

Microbial ichnofossils in volcanic rocks provide a significant record of subsurface microbes and potentially extraterrestrial biosignatures. Here, the textures, mineralogy, and geochemistry of two continental basaltic hydrovolcanic deposits - Reed Rocks and Black Hills - in the Fort Rock Volcanic Field (FRVF) are investigated. Methods include petrographic microscopy, micro and powder X-ray diffraction, SEM/BSE/EDF imaging, energy dispersive spectroscopy, stable isotopes, and X-ray fluorescence. Petrographic analysis revealed granular and tubular textures with biogenic morphologies that include terminal enlargements, septate divisions, branching forms, spiral filaments, and ovoid bodies resembling endolithic microborings described in ocean basalts. They display evidence of behaviour and a geologic context expressing their relative age and syngenicity. Differences in abiotic alteration and the abundance/morphotype assemblage of putative microborings between the sites indicate that water/rock ratio, fluid composition and flux, temperature and secondary phase formation are influences on microboring formation. This study is the first report of reputed endolithic microborings in basalts erupted in a continental lacustrine setting.

The in vivo characterization of the DNA repair gene apn-1 in the model organism Caenorhabditis elegans

Les sites apuriniques/apyrimidinique (AP) représentent une forme de dommage à l’ADN hautement mutagène et ce type de dommage peut survenir spontanément ou être induit par une variété d’agents. Afin de préserver la stabilité génomique, deux familles d’endonucléases de type AP, endo-IV et exo-III, sont nécessaires pour contrecarrer les effets mutagènes des sites AP. Malgré l’identification de membres des deux familles dans plusieurs organismes unicellulaire tels que E.coli et S. cerevisiae, aucun membre de la famille endo-IV n’a été identifié chez les organismes multicellulaires à l’exception de C. elegans et de C. briggsae. Nous avons donc décidé d’investiguer l’importance biologique de APN-1 chez C. elegans par l’utilisation d’une approche de knockdown du gène. Dans notre étude, nous avons montré que le knockdown du gène apn-1 chez C. elegans, en utilisant des ARN d’interférence (ARNi), cause une accumulation de mutations spontanées et induites par des drogues résultant en un délai de l’éclosion des œufs ainsi que par une diminution de la survie et de la longévité des vers adultes. De plus, nous avons montré que cette accumulation de mutations mène à un délai dans la progression du cycle cellulaire durant l’embryogénèse, représentant possiblement une explication du délai dans l’éclosion des œufs. Nous avons montré qu’il y avait une augmentation du niveau de mutations dans la gorge des vers, sans toutefois pouvoir confirmer la distribution de APN-1 qui possède une étiquette GFP. Les animaux transgéniques APN-1-GFP n’exprimaient pas suffisamment de la protéine de fusion pour permettre une visualisation à l’aide d’un microscope à fluorescence, mais la protéine a été détectée par immunobuvardage de type western. Les animaux transgéniques APN-1-GFP étaient instables et avaient des phénotypes concordants avec les défauts génétiques. En conclusion, il semble que C. elegans aie évolué afin de retenir un niveau de base de APN-1 jouant ainsi un rôle versatile afin de maintenir l’intégrité génétique d’autant plus que cet organisme semble manquer plusieurs enzymes de la voie de réparation par excision de base.

Développement d'une méthode de marquage protéique par fluorescence

Le marquage protéique par fluorescence est une méthode de choix permettant d’étudier l’évolution des protéines depuis leur synthèse cellulaire jusqu’à leur dégradation, en plus de rendre possible leur localisation ainsi que la visualisation des interactions entre protéines. De cet intérêt certain ont découlé différentes techniques de marquage, dont celle présentement développée dans le groupe Keillor. Le principe de celle-ci repose sur la réaction entre deux maléimides portés par un fluorogène et une séquence peptidique cible, laquelle contient deux résidus cystéines séparés par une distance appropriée. Suite à cette double addition de thiols du peptide sur les maléimides du fluorogène, la fluorescence latente de ce dernier est régénérée, menant au marquage covalent de la protéine d’intérêt. Afin d’optimiser la spécificité et la sensibilité de cette méthode de marquage, la synthèse de nouveaux fluorogènes et l’étude de l’efficacité de quench de la fluorescence par les maléimides est présentement en cours dans les laboratoires du groupe Keillor.

Autocrine loop in the purinergic control of airway surface liquid volume : monitoring with a novel side-view imaging technique

La Fibrose Kystique (FK) est une maladie dégénérative qui entraine une dégénération des poumons dû au problème de clairance mucociliaire (CMC). Le volume de surface liquide (SL) couvrant les cellules pulmonaires est essentiel à la clairance de mucus et au combat contre les infections. Les nucléotides extracellulaires jouent un rôle important dans la CMC des voies aériennes, en modifiant le volume de la SL pulmonaire. Cependant, les mécanismes du relâchement de l’ATP et de leurs déplacements à travers la SL, restent inconnus. Des études ultérieures démontrent que l’exocytose d’ATP mécano-sensible et Ca2+-dépendant, dans les cellules A549, est amplifié par les actions synergétiques autocrine/paracrine des cellules avoisinantes. Nous avions comme but de confirmer la présence de la boucle purinergique dans plusieurs modèles de cellules épithéliales et de développer un système nous permettant d’observer directement la SL. Nous avons démontrés que la boucle purinergique est fonctionnelle dans les modèles de cellules épithéliales examinés, mis appart les cellules Calu-3. L’utilisation de modulateur de la signalisation purinergique nous a permis d’observer que le relâchement d’ATP ainsi que l’augmentation du [Ca2+]i suivant un stress hypotonique, sont modulés par le biais de cette boucle purinergique et des récepteurs P2Y. De plus, nous avons développé un système de microscopie qui permet d’observer les changements de volume de SL en temps réel. Notre système permet de contrôler la température et l’humidité de l’environnement où se trouvent les cellules, reproduisant l’environnement pulmonaire humain. Nous avons démontré que notre système peut identifier même les petits changements de volume de SL.

Mécanismes d'activation de la voie lysosomale durant l'apoptose chimio-induite

L’apoptose est une forme de mort cellulaire essentielle au développement et au maintien de l’homéostase chez les animaux multicellulaires. La machinerie apoptotiq ue requiert la participation des caspases, des protéases conservées dans l’évolution et celle des organelles cytoplasmiques. Les lysosomes subissent des ruptures partielles, labilisation de la membrane lysosomale (LML), qui entraînent l’activation des cathepsines dans le cytoplasme de cellules cancéreuses humaines en apoptose induite par la camptothecin (CPT), incluant les histiocytes humains U-937. Ces modifications lysosomales se manifestent tôt durant l’activation de l’apoptose, concomitamment avec la perméabilisation de la mitochondrie et l’activation des caspases. Une étude protéomique quantitative et comparative a permis d’identifier des changements précoces dans l’expression/localisation de protéines lysosomales de cellules U-937 en apoptose. Lors de deux expériences indépendantes, sur plus de 538 protéines lysosomales identifiées et quantifiées grâce au marquage isobarique iTRAQ et LC-ESIMS/ MS, 18 protéines augmentent et 9 diminuent dans les lysosomes purifiés de cellules en cours d’apoptose comparativement aux cellules contrôles. Les candidats validés par immuno-buvardage et microscopie confocale incluent le stérol-4-alpha-carboxylate 3- déhydrogénase, le prosaposin et la protéine kinase C delta (PKC-d). Des expériences fonctionnelles ont démontrées que la translocation de PKC-d aux lysosomes est requise pour la LML puisque la réduction de son expression par ARN interférents ou l’inhibition de son activité à l’aide du rottlerin empêche la LML lors de l’apoptose induite par la CPT. La translocation de PKC-d aux lysosomes conduit à la phosphorylation et l’activation de la sphingomyelinase acide lysosomale (ASM), et à l’accroissement subséquent du contenu en céramide (CER) à la membrane lysosomale. Cette accumulation de CER endogène aux lysosomes est un évènement critique pour la LML induite par la CPT car l’inhibition de l’activité de PKC-d ou de ASM diminue la formation de CER et la LML.Ces résultats révèlent un nouveau mécanisme par lequel la PKC-d active l’ASM qui conduit à son tour à l’accumulation de CER à la membrane lysosomale et déclenche la LML et l’activation de la voie lysosomale de l’apoptose induite par la CPT. En somme, ce mécanisme confirme l’importance du métabolisme des sphingolipides dans l’activation de la voie lysosomale de l’apoptose.

L’apolipoprotéine A-I interagit avec l’adhésine impliquée dans l’adhérence diffuse (AIDA-I) d’Escherichia coli : rôle lors du processus d’adhésion et d’invasion

L’adhésine impliquée dans l’adhérence diffuse (AIDA-I) est une adhésine bactérienne présente chez certaines souches d’Escherichia coli qui, associée aux toxines Stx2e ou STb, contribue à l’apparition de la maladie de l’œdème ou de la diarrhée post-sevrage chez les porcelets. AIDA-I est un autotransporteur qui confère des capacités d’autoaggrégation, de formation de biofilms et d’adhésion. L’objectif principal du projet de recherche consistait en la recherche de récepteur(s) potentiel(s) d’AIDA-I. Les bactéries pathogènes adhèrent aux cellules-cibles soit en liant directement des molécules à la surface cellulaire ou en utilisant des molécules intermédiaires qui permettent de diminuer la distance séparant la bactérie de la cellule-cible. Puisque le sérum est un fluide qui contient de nombreuses molécules, celui-ci a été utilisé comme matériel de départ pour l’isolement de récepteur(s) potentiels. Nous avons isolé un récepteur potentiel à partir du sérum porcin : l’apolipoprotéine A-I. L’interaction entre l’apolipoprotéine A-I et AIDA-I a été confirmée par ELISA et microscopie à fluorescence. La capacité à envahir les cellules épithéliales offre aux pathogènes la possibilité d’établir une niche intracellulaire qui les protègent contre les attaques du milieu extérieur. La présente étude a démontré que la présence d’AIDA-I en tant que seul facteur de virulence chez une souche de laboratoire permet de conférer la capacité d’envahir les cellules sans promouvoir la survie intracellulaire. L’étude de la souche sauvage 2787, exprimant AIDA-I en association avec d’autres facteurs de virulence, a démontré une différence significative pour les phénotypes d’invasion et de survie intracellulaire face à la souche de laboratoire exprimant AIDA-I.

Study of NAD(P)H fluorescence in living cardiomyocytes by spectrally resolved time-correlated single photon counting

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Diffusion dans un hydrogel : applications aux biocapteurs et optimisation de la technique de spectroscopie par corrélation de fluorescence (FCS)

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude du couplage entre les sous-unités du canal potassique KcsA par des mesures de spectroscopie de fluorescence en canal unitaire

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude des mécanismes moléculaires de formation des pores des toxines formeuses de pores par la spectroscopie de fluorescence

Les toxines formeuses de pore (PFTs) sont des protéines exogènes responsables d’un grand nombre de maladies infectieuses qui perméabilisent les membranes cellulaires de leur hôte. La formation des pores ou l’introduction d’une enzyme dans le cytoplasme peut entrainer l’apparition de symptômes de maladies connues (l’anthrax, le botulisme) et, dans le pire des cas, la mort. Les mécanismes d’infection et de destruction des cellules infectées sont bien caractérisés. Toutefois, l’aspect dynamique des changements de conformation durant le processus de perméabilisation reste à découvrir pour la majorité des toxines formeuses de pore. Le but de cette thèse est d’étudier les mécanismes d’oligomérisation des PFTs, ainsi que la formation des pores à la membrane lipidique grâce à la spectroscopie de fluorescence. Nous avons choisi la toxine Cry1Aa, un bio pesticide produit par le bacille de Thuringe et qui a été rigoureusement caractérisé, en tant que modèle d’étude. La topologie de la Cry1Aa à l’état actif et inactif a pu être résolue grâce à l’utilisation d’une technique de spectroscopie de fluorescence, le FRET ou transfert d’énergie par résonance entre un fluorophore greffé au domaine formeur de pore (D1) et un accepteur non fluorescent (le DPA ou dipicrylamine) localisé dans la membrane et qui bouge selon le potentiel membranaire. Le courant électrique, ainsi que la fluorescence provenant de la bicouche lipidique membranaire horizontale ont été enregistrés simultanément. De cette manière, nous avons pu localiser toutes les boucles reliant les hélices de D1 avant et après la formation des pores. Dans la forme inactive de la toxine, toutes ces boucles se trouvent du côté interne de la bicouche lipidique, mais dans sa forme active l’épingle α3-α4 traverse du côté externe, alors que toutes les autres hélices demeurent du côté interne. Ces résultats suggèrent que α3-α4 forment le pore. Nous avons découvert que la toxine change significativement de conformation une fois qu’elle se trouve dans la bicouche lipidique, et que la Cry1Aa attaque la membrane lipidique de l’extérieur, mais en formant le pore de l’intérieur. Dans le but de caractériser la distribution de toxines à chaque extrémité de la bicouche, nous avons utilisé une technique de double FRET avec deux accepteurs ayant des vitesses de translocation différentes (le DPA et l’oxonol) dans la membrane lipidique. De cette manière, nous avons déterminé que la toxine était présente des deux côtés de la bicouche lipidique durant le processus de perméabilisation. La dynamique d’oligomérisation de la toxine dans une bicouche lipidique sans récepteurs a été étudiée avec une technique permettant le compte des sauts de fluorescence après le photoblanchiment des fluorophore liés aux sous unités composant un oligomère présent dans la bicouche lipidique supportée. Nous avons confirmé de cette manière que la protéine formait ultimement des tétramères, et que cet état résultait de la diffusion des monomères de toxine dans la bicouche et de leur assemblage subséquent. Enfin nous avons voulu étudier le « gating » de la colicine Ia, provenant de la bactérie E.Coli, dans le but d’observer les mouvements que font deux positions supposées traverser la bicouche lipidique selon le voltage imposé aux bornes de la bicouche. Nos résultats préliminaires nous permettent d’observer un mouvement partiel (et non total) de ces positions, tel que le suggèrent les études de conductances du canal.

Cell wall composition regulates cell shape and growth behaviour in pollen tubes

L’une des particularités fondamentales caractérisant les cellules végétales des cellules animales est la présence de la paroi cellulaire entourant le protoplaste. La paroi cellulaire joue un rôle primordial dans (1) la protection du protoplaste, (2) est impliquée dans les mécanismes de filtration et (3) est le lieu de maintes réactions biochimiques nécessaires à la régulation du métabolisme et des propriétés mécaniques de la cellule. Les propriétés locales d’élasticité, d’extensibilité, de plasticité et de dureté des composants pariétaux déterminent la géométrie et la forme des cellules lors des processus de différentiation et de morphogenèse. Le but de ma thèse est de comprendre les rôles que jouent les différents composants pariétaux dans le modelage de la géométrie et le contrôle de la croissance des cellules végétales. Pour atteindre cet objectif, le modèle cellulaire sur lequel je me suis basé est le tube pollinique ou gamétophyte mâle. Le tube pollinique est une protubérance cellulaire qui se forme à partir du grain de pollen à la suite de son contact avec le stigmate. Sa fonction est la livraison des cellules spermatiques à l’ovaire pour effectuer la double fécondation. Le tube pollinique est une cellule à croissance apicale, caractérisée par la simple composition de sa paroi et par sa vitesse de croissance qui est la plus rapide du règne végétal. Ces propriétés uniques font du tube pollinique le modèle idéal pour l’étude des effets à courts termes du stress sur la croissance et le métabolisme cellulaire ainsi que sur les propriétés mécaniques de la paroi. La paroi du tube pollinique est composée de trois composantes polysaccharidiques : pectines, cellulose et callose et d’une multitude de protéines. Pour comprendre les effets que jouent ces différents composants dans la régulation de la croissance du tube pollinique, j’ai étudié les effets de mutations, de traitements enzymatiques, de l’hyper-gravité et de la gravité omni-directionnelle sur la paroi du tube pollinique. En utilisant des méthodes de modélisation mathématiques combinées à de la biologie moléculaire et de la microscopie à fluorescence et électronique à haute résolution, j’ai montré que (1) la régulation de la chimie des pectines est primordiale pour le contrôle du taux de croissance et de la forme du tube et que (2) la cellulose détermine le diamètre du tube pollinique en partie sub-apicale. De plus, j’ai examiné le rôle d’un groupe d’enzymes digestives de pectines exprimées durant le développement du tube pollinique : les pectate lyases. J’ai montré que ces enzymes sont requises lors de l’initiation de la germination du pollen. J’ai notamment directement prouvé que les pectate lyases sont sécrétées par le tube pollinique dans le but de faciliter sa pénétration au travers du style.