Extracellular vesicle biogenesis in helminths: more than one route to the surface?

The quite recent discovery that parasites release extracellular vesicles (EVs) that can transfer a range of effector molecules to host cells has made us re-think our understanding of the host-parasite interface. In this opinion article we will consider how recent proteomics and transcriptomics studies, together with ultrastructural observations, suggest that more than one mechanism of EV biogenesis can occur in helminths. We propose that distinct EV sub-types have roles in immune-modulation and repair of drug-induced damage, and put forward the case for targeting EV biogenesis pathways to achieve parasite control. In doing so we raise a number of outstanding research questions that must be addressed before this can happen.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Sex steroid feedback regulation of pituitary gonadotropins during early secondary oocyte growth in coho salmon (Oncorhynchus kisutch) – a potential target of endocrine disruption.

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Hepatocyte determinants of susceptibility to pre-erythrocytic Plasmodium infection

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

LATERAL BRANCHING OXIDOREDUCTASE acts in the final stages of strigolactone biosynthesis inArabidopsis

Strigolactones are a group of plant compounds of diverse but related chemical structures. They have similar bioactivity across a broad range of plant species, act to optimize plant growth and development, and promote soil microbe interactions. Carlactone, a common precursor to strigolactones, is produced by conserved enzymes found in a number of diverse species. Versions of the MORE AXILLARY GROWTH1 (MAX1) cytochrome P450 from rice and Arabidopsis thaliana make specific subsets of strigolactones from carlactone. However, the diversity of natural strigolactones suggests that additional enzymes are involved and remain to be discovered. Here, we use an innovative method that has revealed a missing enzyme involved in strigolactone metabolism. By using a transcriptomics approach involving a range of treatments that modify strigolactone biosynthesis gene expression coupled with reverse genetics, we identified LATERAL BRANCHING OXIDOREDUCTASE (LBO), a gene encoding an oxidoreductase-like enzyme of the 2-oxoglutarate and Fe(II)-dependent dioxygenase superfamily. Arabidopsis lbo mutants exhibited increased shoot branching, but the lbo mutation did not enhance the max mutant phenotype. Grafting indicated that LBO is required for a graft-transmissible signal that, in turn, requires a product of MAX1. Mutant lbo backgrounds showed reduced responses to carlactone, the substrate of MAX1, and methyl carlactonoate (MeCLA), a product downstream of MAX1. Furthermore, lbo mutants contained increased amounts of these compounds, and the LBO protein specifically converts MeCLA to an unidentified strigolactone-like compound. Thus, LBO function may be important in the later steps of strigolactone biosynthesis to inhibit shoot branching in Arabidopsis and other seed plants.

FACS-based purification of Arabidopsis microspores, sperm cells and vegetative nuclei

Background: The male germline in flowering plants differentiates by asymmetric division of haploid uninucleated microspores, giving rise to a vegetative cell enclosing a smaller generative cell, which eventually undergoes a second mitosis to originate two sperm cells. The vegetative cell and the sperm cells activate distinct genetic and epigenetic mechanisms to control pollen tube growth and germ cell specification, respectively. Therefore, a comprehensive characterization of these processes relies on efficient methods to isolate each of the different cell types throughout male gametogenesis. Results: We developed stable transgenic Arabidopsis lines and reliable purification tools based on Fluorescence-Activated Cell Sorting (FACS) in order to isolate highly pure and viable fractions of each cell/nuclei type before and after pollen mitosis. In the case of mature pollen, this was accomplished by expressing GFP and RFP in the sperm and vegetative nuclei, respectively, resulting in 99% pure sorted populations. Microspores were also purified by FACS taking advantage of their characteristic small size and autofluorescent properties, and were confirmed to be 98% pure. Conclusions: We provide simple and efficient FACS-based purification protocols for Arabidopsis microspores, vegetative nuclei and sperm cells. This paves the way for subsequent molecular analysis such as transcriptomics, DNA methylation analysis and chromatin immunoprecipitation, in the developmental context of microgametogenesis in Arabidopsis.

Low-Molecular-Weight Fucoidan Induces Endothelial Cell Migration via the PI3K/AKT Pathway and Modulates the Transcription of Genes Involved in Angiogenesis

Low-molecular-weight fucoidan (LMWF) is a sulfated polysaccharide extracted from brown seaweed that presents antithrombotic and pro-angiogenic properties. However, its mechanism of action is not well-characterized. Here, we studied the effects of LMWF on cell signaling and whole genome expression in human umbilical vein endothelial cells and endothelial colony forming cells. We observed that LMWF and vascular endothelial growth factor had synergistic effects on cell signaling, and more interestingly that LMWF by itself, in the absence of other growth factors, was able to trigger the activation of the PI3K/AKT pathway, which plays a crucial role in angiogenesis and vasculogenesis. We also observed that the effects of LMWF on cell migration were PI3K/AKT-dependent and that LMWF modulated the expression of genes involved at different levels of the neovessel formation process, such as cell migration and cytoskeleton organization, cell mobilization and homing. This provides a better understanding of LMWF's mechanism of action and confirms that it could be an interesting therapeutic approach for vascular repair.

EMMA 2--a MAGE-compliant system for the collaborative analysis and integration of microarray data

Background: Understanding transcriptional regulation by genome-wide microarray studies can contribute to unravel complex relationships between genes. Attempts to standardize the annotation of microarray data include the Minimum Information About a Microarray Experiment (MIAME) recommendations, the MAGE-ML format for data interchange, and the use of controlled vocabularies or ontologies. The existing software systems for microarray data analysis implement the mentioned standards only partially and are often hard to use and extend. Integration of genomic annotation data and other sources of external knowledge using open standards is therefore a key requirement for future integrated analysis systems. Results: The EMMA 2 software has been designed to resolve shortcomings with respect to full MAGE-ML and ontology support and makes use of modern data integration techniques. We present a software system that features comprehensive data analysis functions for spotted arrays, and for the most common synthesized oligo arrays such as Agilent, Affymetrix and NimbleGen. The system is based on the full MAGE object model. Analysis functionality is based on R and Bioconductor packages and can make use of a compute cluster for distributed services. Conclusion: Our model-driven approach for automatically implementing a full MAGE object model provides high flexibility and compatibility. Data integration via SOAP-based web-services is advantageous in a distributed client-server environment as the collaborative analysis of microarray data is gaining more and more relevance in international research consortia. The adequacy of the EMMA 2 software design and implementation has been proven by its application in many distributed functional genomics projects. Its scalability makes the current architecture suited for extensions towards future transcriptomics methods based on high-throughput sequencing approaches which have much higher computational requirements than microarrays.

High hydrostatic pressure adaptive strategies in an obligate piezophile Pyrococcus yayanosii

Pyrococcus yayanosii CH1, as the first and only obligate piezophilic hyperthermophilic microorganism discovered to date, extends the physical and chemical limits of life on Earth. It was isolated from the Ashadze hydrothermal vent at 4,100 m depth. Multi-omics analyses were performed to study the mechanisms used by the cell to cope with high hydrostatic pressure variations. In silico analyses showed that the P. yayanosii genome is highly adapted to its harsh environment, with a loss of aromatic amino acid biosynthesis pathways and the high constitutive expression of the energy metabolism compared with other non-obligate piezophilic Pyrococcus species. Differential proteomics and transcriptomics analyses identified key hydrostatic pressure-responsive genes involved in translation, chemotaxis, energy metabolism (hydrogenases and formate metabolism) and Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats sequences associated with Cellular apoptosis susceptibility proteins.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Dinoflagellate Genomic Organization and Phylogenetic Marker Discovery Utilizing Deep Sequencing Data

Dinoflagellates possess large genomes in which most genes are present in many copies. This has made studies of their genomic organization and phylogenetics challenging. Recent advances in sequencing technology have made deep sequencing of dinoflagellate transcriptomes feasible. This dissertation investigates the genomic organization of dinoflagellates to better understand the challenges of assembling dinoflagellate transcriptomic and genomic data from short read sequencing methods, and develops new techniques that utilize deep sequencing data to identify orthologous genes across a diverse set of taxa. To better understand the genomic organization of dinoflagellates, a genomic cosmid clone of the tandemly repeated gene Alchohol Dehydrogenase (AHD) was sequenced and analyzed. The organization of this clone was found to be counter to prevailing hypotheses of genomic organization in dinoflagellates. Further, a new non-canonical splicing motif was described that could greatly improve the automated modeling and annotation of genomic data. A custom phylogenetic marker discovery pipeline, incorporating methods that leverage the statistical power of large data sets was written. A case study on Stramenopiles was undertaken to test the utility in resolving relationships between known groups as well as the phylogenetic affinity of seven unknown taxa. The pipeline generated a set of 373 genes useful as phylogenetic markers that successfully resolved relationships among the major groups of Stramenopiles, and placed all unknown taxa on the tree with strong bootstrap support. This pipeline was then used to discover 668 genes useful as phylogenetic markers in dinoflagellates. Phylogenetic analysis of 58 dinoflagellates, using this set of markers, produced a phylogeny with good support of all branches. The Suessiales were found to be sister to the Peridinales. The Prorocentrales formed a monophyletic group with the Dinophysiales that was sister to the Gonyaulacales. The Gymnodinales was found to be paraphyletic, forming three monophyletic groups. While this pipeline was used to find phylogenetic markers, it will likely also be useful for finding orthologs of interest for other purposes, for the discovery of horizontally transferred genes, and for the separation of sequences in metagenomic data sets.

Allocation du carbone et métabolisme azoté chez l'haptophyte Tisochrysis lutea

The aim of this thesis is to improve knowledge on mechanisms involved in the response to nitrogen limitation and in lipid accumulation in the microalgae haptophyte Tisochrysis lutea. The wild type strain and a lipid accumulating mutant strain were grown under different nitrogen limitation and starvation and analyzed by functional genomics. Four genes of high-affinity nitrate/nitrite transporter (Nrt2) were identified and characterized to reveal the mechanisms involved in mineral absorption in this species. Transcriptomes of both strains were sequenced and proteins affected by nitrogen starvation and differentially expressed between the two strains were identified. We so identified the functions regulated by nitrogen deficiency and potentially involved in the accumulation of storage lipids. The responses of both strains to thin variations of nitrogen limitation were studied. The results of high-throughput proteomic analyzes suggest that the lipid-accumulation in the mutant strain is the result of carbon metabolism impacted overall, this spurred on signaling mechanisms. Two proteins have been studied since probably involved in carbon and nitrogen remobilization from amino acids catabolism during nitrogen limitation. This work increases knowledge on haptophytes, and brings assumptions on metabolic key involved in nitrogen limitation and carbon allocation in microalgae.

Insights into Neural Crest Evolution

Neural crest cells are unique to vertebrates and essential to the development and evolution of the craniofacial skeleton. Using a combination of DiI cell lineage tracing, transcriptomics, and analysis of key transcription factors of the Sox Family, I examined neural crest development in the sea lamprey, Petromyzon marinus, as the most basal extant vertebrate from which it is possible to get embryos. The results have uncovered distinct cranial and trunk neural crest subpopulations along the anterior-posterior axis of the lamprey embryo, with a clear separation between the two. However, no evidence of the presence of an intermediate vagal neural crest population was uncovered. Comparing cranial neural crest genes between lamprey and chick, either by examining individual candidate genes or whole genome transcriptome analysis, reveals significant changes in the cranial neural crest gene regulatory network of lamprey compared with chick. In particular, the lamprey cranial neural crest is "missing" several gnathostome cranial crest genes. We speculate that these may underlie the evolutionary divergence of craniofacial development between jawed and jawless vertebrates. Despite the absence of vagal neural crest, DiI-labeling shows that trunk neural crest-derived cells, likely homologous to mammalian Schwann cell precursors, contribute to the lamprey enteric nervous system, potentially representing the most primitive form of neural crest cells contribution to the ENS. Finally, I characterized key members of the Sox Family (Sox B-F) due to their importance in neural crest specification in other species. In comparative studies of the SoxC genes (Sox4, Sox11, and Sox12) in both lamprey and Xenopus, I found similar expression patterns and a novel key role in early neural crest specification, suggesting a conserved role of the SoxC genes amongst vertebrates. Taken together, this work represents important progress in characterizing the early evolution of the neural crest in vertebrates and its role in the transition from jawless to jawed vertebrates.

Epigenetics and alternative splicing

Dissertação de Mestrado, Oncobiologia: Mecanismos Moleculares do Cancro, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2015

Biobanks: Experience of the School of Medicine and the “Dr. José Eleuterio González” University Hospital of the Universidad Autónoma de Nuevo León

Medical research has greatly beneited from molecular biology and increasingly relies on tools from the “omics” disciplines (mainly genomics, transcriptomics, proteomics and metabolomics). The availability of biological samples preserved with high quality standards is a sine qua non condition for such studies and their repositories are referred to as biobanks. Biobanks support the transportation, storage, preservation, and initial pathological and analytical examinations of biospecimens, as well as the protection of relevant information and the comparison of clinical and laboratory findings. A biobank facility is one of the most valuable tools the academic medicine organizations can offer to their researchers to improve the competitiveness of their current and future medical research. it acts as an essential bridge and an effective catalyst for research synergies between basic and clinical sciences, and it can be potentiated with efforts to raise funds for acquiring and maintaining cutting-edge analytical infrastructure to better serve its clinical, pharmaceutical and biotech clients.