Regulation of gene expression in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

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

Signaling of Pigment-Dispersing Factor (PDF) in the Madeira Cockroach Rhyparobia maderae

The insect neuropeptide pigment-dispersing factor (PDF) is a functional ortholog of vasoactive intestinal polypeptide, the coupling factor of the mammalian circadian pacemaker. Despite of PDF's importance for synchronized circadian locomotor activity rhythms its signaling is not well understood. We studied PDF signaling in primary cell cultures of the accessory medulla, the circadian pacemaker of the Madeira cockroach. In Ca2+ imaging studies four types of PDF-responses were distinguished. In regularly bursting type 1 pacemakers PDF application resulted in dose-dependent long-lasting increases in Ca2+ baseline concentration and frequency of oscillating Ca2+ transients. Adenylyl cyclase antagonists prevented PDF-responses in type 1 cells, indicating that PDF signaled via elevation of intracellular cAMP levels. In contrast, in type 2 pacemakers PDF transiently raised intracellular Ca2+ levels even after blocking adenylyl cyclase activity. In patch clamp experiments the previously characterized types 1–4 could not be identified. Instead, PDF-responses were categorized according to ion channels affected. Application of PDF inhibited outward potassium or inward sodium currents, sometimes in the same neuron. In a comparison of Ca2+ imaging and patch clamp experiments we hypothesized that in type 1 cells PDF-dependent rises in cAMP concentrations block primarily outward K+ currents. Possibly, this PDF-dependent depolarization underlies PDF-dependent phase advances of pacemakers. Finally, we propose that PDF-dependent concomitant modulation of K+ and Na+ channels in coupled pacemakers causes ultradian membrane potential oscillations as prerequisite to efficient synchronization via resonance.

A period 2 genetic variant interacts with plasma SFA to modify plasma lipid concentrations in adults with metabolic syndrome

Genetic variants of Period 2 (PER2), a circadian clock gene, have been linked to metabolic syndrome (MetS). However, it is still unknown whether these genetic variants interact with the various types of plasma fatty acids. This study investigated whether common single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the PER2 locus (rs934945 and rs2304672) interact with various classes of plasma fatty acids to modulate plasma lipid metabolism in 381 participants with MetS in the European LIPGENE study. Interestingly, the rs2304672 SNP interacted with plasma total SFA concentrations to affect fasting plasma TG, TG-rich lipoprotein (TRL-TG), total cholesterol, apoC-II, apoB, and apoB-48 concentrations (P-interaction < 0.001–0.046). Carriers of the minor allele (GC+GG) with the highest SFA concentration (>median) had a higher plasma TG concentration (P = 0.001) and higher TRL-TG (P < 0.001) than the CC genotype. In addition, participants carrying the minor G allele for rs2304672 SNP and with a higher SFA concentration (>median) had higher plasma concentrations of apo C-II (P < 0.001), apo C-III (P = 0.009), and apoB-48 (P = 0.028) compared with the homozygotes for the major allele (CC). In summary, the rs2304672 polymorphism in the PER2 gene locus may influence lipid metabolism by interacting with the plasma total SFA concentration in participants with MetS. The understanding of these gene-nutrient interactions could help to provide a better knowledge of the pathogenesis in MetS.

Caracterização do perfil do ciclo sono-vigília em ratos sob dessincronização forçada

The circadian behavior associated with the 24 hours light-dark (LD) cycle (T24) is due to a circadian clock , which in mammals is located in the hypothalamic suprachiasmatic nucleus (SCN). Under experimental conditions in which rats are espoused to a symmetric LD 22h cycle (T22) the two SCN regions, ventrolateral (vl) and dorsomedial (dm), can be functionally isolated, suggesting that each region regulates distinct physiological and behavioral components. The vl region regulates the locomotor activity and slow wave sleep (SWS) rhythms, while the dm region assures the body temperature and paradoxical sleep (PS) rhythms regulation. This research aimed to deepen the knowledge on the functional properties of circadian rhythmicity, specifically about the internal desynchronization process, and its consequences to locomotor activity and body temperature rhythms as well as to the sleep-wake cycle pattern in rats. We applied infrared motion sensors, implanted body temperature sensors and a telemetry system to record electrocorticogram (ECoG) and electromyogram (EMG) in two rat groups. The control group under 24h period LD cycle (T24: 12hL-12hD) to the baseline record and the experimental group under 22h period LD cycle (T22: 11hL- 11hD), in which is known to occur the uncoupling process of the circadian locomotor activity rhythm where the animals show two distinct locomotor activity rhythms: one synchronized to the external LD cycle, and another expressed in free running course, with period greater than 24h. As a result of 22h cycles, characteristic locomotor activity moment appear, that are coincidence moments (T22C) and non coincidence moments (T22NC) which were the main focus or our study. Our results show an increase in locomotor activity, especially in coincidence moments, and the inversion of locomotor activity, body temperature, and sleep-wake cycle patterns in non coincidence moments. We can also observe the increase in SWS and decrease in PS, both in coincidence and non coincidence moments. Probably the increases in locomotor activity as a way to promote the coupling between circadian oscillators generate an increased homeostatic pressure and thus increase SWS, promoting the decreasing in PS

Efferent projections of the suprachiasmatic nucleus based on the distribution of vasoactive intestinal peptide (VIP) and arginine vasopressin (AVP) immunoreactive fibers in the hypothalamus of Sapajus apella

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Forced Desynchronization of Activity Rhythms in a Model of Chronic Jet Lag in Mice

We studied locomotor activity rhythms of C57/Bl6 mice under a chronic jet lag (CJL) protocol (ChrA(6/2)), which consisted of 6-hour phase advances of the light-dark schedule (LD) every 2 days. Through periodogram analysis, we found 2 components of the activity rhythm: a short-period component (21.01 +/- 0.04 h) that was entrained by the LD schedule and a long-period component (24.68 +/- 0.26 h). We developed a mathematical model comprising 2 coupled circadian oscillators that was tested experimentally with different CJL schedules. Our simulations suggested that under CJL, the system behaves as if it were under a zeitgeber with a period determined by (24 -[phase shift size/days between shifts]). Desynchronization within the system arises according to whether this effective zeitgeber is inside or outside the range of entrainment of the oscillators. In this sense, ChrA(6/2) is interpreted as a (24 - 6/2 = 21 h) zeitgeber, and simulations predicted the behavior of mice under other CJL schedules with an effective 21-hour zeitgeber. Animals studied under an asymmetric T = 21 h zeitgeber (carried out by a 3-hour shortening of every dark phase) showed 2 activity components as observed under ChrA(6/2): an entrained short-period (21.01 +/- 0.03 h) and a long-period component (23.93 +/- 0.31 h). Internal desynchronization was lost when mice were subjected to 9-hour advances every 3 days, a possibility also contemplated by the simulations. Simulations also predicted that desynchronization should be less prevalent under delaying than under advancing CJL. Indeed, most mice subjected to 6-hour delay shifts every 2 days (an effective 27-hour zeitgeber) displayed a single entrained activity component (26.92 +/- 0.11 h). Our results demonstrate that the disruption provoked by CJL schedules is not dependent on the phase-shift magnitude or the frequency of the shifts separately but on the combination of both, through its ratio and additionally on their absolute values. In this study, we present a novel model of forced desynchronization in mice under a specific CJL schedule; in addition, our model provides theoretical tools for the evaluation of circadian disruption under CJL conditions that are currently used in circadian research.

Impact of sunlight on the age of onset of bipolar disorder

Bauer M, Glenn T, Alda M, Andreassen OA, Ardau R, Bellivier F, Berk M, Bjella TD, Bossini L, Del Zompo M, Dodd S, Fagiolini A, Frye MA, Gonzalez-Pinto A, Henry C, Kapczinski F, Kliwicki S, Konig B, Kunz M, Lafer B, Lopez-Jaramillo C, Manchia M, Marsh W, Martinez-Cengotitabengoa M, Melle I, Morken G, Munoz R, Nery FG, ODonovan C, Pfennig A, Quiroz D, Rasgon N, Reif A, Rybakowski J, Sagduyu K, Simhandl C, Torrent C, Vieta E, Zetin M, Whybrow PC. Impact of sunlight on the age of onset of bipolar disorder. Bipolar Disord 2012: 14: 654663. (c) 2012 The Authors. Journal compilation (c) 2012 John Wiley & Sons A/S. Objective: Although bipolar disorder has high heritability, the onset occurs during several decades of life, suggesting that social and environmental factors may have considerable influence on disease onset. This study examined the association between the age of onset and sunlight at the location of onset. Method: Data were obtained from 2414 patients with a diagnosis of bipolar I disorder, according to DSM-IV criteria. Data were collected at 24 sites in 13 countries spanning latitudes 6.3 to 63.4 degrees from the equator, including data from both hemispheres. The age of onset and location of onset were obtained retrospectively, from patient records and/or direct interviews. Solar insolation data, or the amount of electromagnetic energy striking the surface of the earth, were obtained from the NASA Surface Meteorology and Solar Energy (SSE) database for each location of onset. Results: The larger the maximum monthly increase in solar insolation at the location of onset, the younger the age of onset (coefficient= -4.724, 95% CI: -8.124 to -1.323, p = 0.006), controlling for each countrys median age. The maximum monthly increase in solar insolation occurred in springtime. No relationships were found between the age of onset and latitude, yearly total solar insolation, and the maximum monthly decrease in solar insolation. The largest maximum monthly increases in solar insolation occurred in diverse environments, including Norway, arid areas in California, and Chile. Conclusion: The large maximum monthly increase in sunlight in springtime may have an important influence on the onset of bipolar disorder.

Field and Laboratory Studies Provide Insights into the Meaning of Day-Time Activity in a Subterranean Rodent (Ctenomys aff. knighti), the Tuco-Tuco

South American subterranean rodents (Ctenomys aff. knighti), commonly known as tuco-tucos, display nocturnal, wheel-running behavior under light-dark (LD) conditions, and free-running periods >24 h in constant darkness (DD). However, several reports in the field suggested that a substantial amount of activity occurs during daylight hours, leading us to question whether circadian entrainment in the laboratory accurately reflects behavior in natural conditions. We compared circadian patterns of locomotor activity in DD of animals previously entrained to full laboratory LD cycles (LD12:12) with those of animals that were trapped directly from the field. In both cases, activity onsets in DD immediately reflected the previous dark onset or sundown. Furthermore, freerunning periods upon release into DD were close to 24 h indicating aftereffects of prior entrainment, similarly in both conditions. No difference was detected in the phase of activity measured with and without access to a running wheel. However, when individuals were observed continuously during daylight hours in a semi-natural enclosure, they emerged above-ground on a daily basis. These day-time activities consisted of foraging and burrow maintenance, suggesting that the designation of this species as nocturnal might be inaccurate in the field. Our study of a solitary subterranean species suggests that the circadian clock is entrained similarly under field and laboratory conditions and that day-time activity expressed only in the field is required for foraging and may not be time-dictated by the circadian pacemaker.

Refractoriness to melatonin occurs independently at multiple brain sites in Siberian hamsters

The mid-winter development of refractoriness to melatonin (Mel) triggers recrudescence of the atrophied reproductive apparatus of rodents. As a consequence, over-wintering animals become reproductively competent just before the onset of spring conditions favorable for breeding. The neural target tissues that cease to respond to winter Mel signals have not been identified. We now report that the suprachiasmatic nucleus of the hypothalamus, which contains the principal circadian clock, and the reuniens and paraventricular nuclei of the thalamus, each independently becomes refractory to melatonin. Small implants of Mel that were left in place for 40 wk and that act locally on these brain nuclei, induced testicular regression within 6 wk in male Siberian hamsters; 12 wk later Mel implants no longer suppressed reproduction and gonadal recrudescence ensued. Hamsters that were then given a systemic Mel infusion s.c. immediately initiated a second gonadal regression, implying that neurons at each site become refractory to Mel without compromising responsiveness of other Mel target tissues. Refractoriness occurs locally and independently at each neural target tissue, rather than in a separate “refractoriness” substrate. Restricted, target-specific actions of Mel are consistent with the independent regulation by day length of the several behavioral and physiological traits that vary seasonally in mammals.

Additional signalling compounds are required to orchestrate plant development

Plants are necessarily complex systems that require monitoring of multiple environmental signals and, in response to those signals, coordination of differentiation and development of an extensive array of cell types at multiple locations. This coordination must rely on integration of long-distance signals that provide a means of communication among different plant parts. We propose that the relatively well-characterized classical phytohormones must act with several other long-distance signals to achieve this level of organization with dynamic yet measured responses. This is supported by observations that classical phytohormones: (i) operate in complex yet experimentally unresolved networks involving cross-talk and feedback, (ii) are generally multifunctional and nonspecific and hence must rely on other long-distance cues or pre-set conditions to achieve specificity and (iii) are likely to mask roles of other long-distance signals in several experimental contexts. We present evidence for involvement of novel long-distance signals in three developmental processes-branching, flowering and nodulation, and discuss the possible identities of novel signalling molecules.

Circannual rhythms of maturation in the female rainbow trout and their entrainment by changes in photoperiod

The importance of endogenous rhythms in the photoperiodic control of the annual reproduction cycle in female rainbow trout was investigated. The effect of photoperiod regimes on the different stages of maturation was assessed by recording the timing of ovulation and from quantifying associated changes in serum oestradiol-17,testosterone and total calcium. Maintained under constant 6L:18D and constant temperature for up to four years, rainbow trout exhibited an endogenous rhythm of maturation with a periodicity of approximately one year. This rhythm of maturation appears to be driven by an autonomous circannual oscillator or clock which can be dissociated from the neuroendocrine mechanisms controlling gonadal maturation. Under conditions of constant 18L:6D or LL the periodicity of the maturation rhythm was 5.5-6 months; it is suggested that this periodicity may be caused by a splitting or uncoupling of at least two circannual clocks involved in the control of maturation. Abrupt changes in the length of the photoperiod act as a zeitgeber to entrain the endogenous rhythm of maturation. Whether the timing of maturation is advanced or delayed depends primarily on the direction of the change in photoperiod and its timing in relation to the phase of the rhythm, with the magnitude of the alteration in photoperiod having only a supplementary effect. The effect of specific changes in photoperiod on the entrainment of the maturation cycle can be described in terms of a phase-response curve. Photic information is transduced, probably by the pineal gland, into a daily rhythm of melatonin; exposure of rainbow trout to skeleton and resonance photoperiod regimes indicated that daylength measurement is effected by endogenous circadian clock(s) rather than by hour-glass mechanisms. A gating mechanism is closely associated with the circannual clock which determines the timing of onset of maturation in virgin female rainbow trout, only allowing fish that have attained a threshold stage of development to undergo gonadal maturation. Collectively the results support the hypothesis that the female rainbow trout exhibits an endogenous circannual rhythm of maturation which can be entrained by changes in photoperiod.

Genome-wide association analysis identifies novel loci for chronotype in 100,420 individuals from the UK Biobank

Our sleep timing preference, or chronotype, is a manifestation of our internal biological clock. Variation in chronotype has been linked to sleep disorders, cognitive and physical performance, and chronic disease. Here we perform a genome-wide association study of self-reported chronotype within the UK Biobank cohort (n=100,420). We identify 12 new genetic loci that implicate known components of the circadian clock machinery and point to previously unstudied genetic variants and candidate genes that might modulate core circadian rhythms or light-sensing pathways. Pathway analyses highlight central nervous and ocular systems and fear-response-related processes. Genetic correlation analysis suggests chronotype shares underlying genetic pathways with schizophrenia, educational attainment and possibly BMI. Further, Mendelian randomization suggests that evening chronotype relates to higher educational attainment. These results not only expand our knowledge of the circadian system in humans but also expose the influence of circadian characteristics over human health and life-history variables such as educational attainment.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Determining day length and temperature regulation of flowering: a molecular and modelling approach

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

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.