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

Investigation of the structure and dynamics of the centromeric epigenetic mark

Le centromère est le site chromosomal où le kinetochore se forme, afin d’assurer une ségrégation fidèles des chromosomes et ainsi maintenir la ploïdie appropriée lors de la mitose. L’identité du centromere est héritée par un mécanisme épigénétique impliquant une variante de l’histone H3 nommée centromere protein-A (CENP-A), qui remplace l’histone H3 au niveau de la chromatine du centromère. Des erreurs de propagation de la chromatine du centromère peuvent mener à des problèmes de ségrégation des chromosomes, pouvant entraîner l’aneuploïdie, un phénomène fréquemment observé dans le cancer. De plus, une expression non-régulée de CENP-A a aussi été rapportée dans différentes tumeurs humaines. Ainsi, plusieurs études ont cherchées à élucider la structure et le rôle de la chromatine contenant CENP-A dans des cellules en prolifération. Toutefois, la nature moléculaire de CENP-A en tant que marqueur épigénétique ainsi que ces dynamiques à l'extérieur du cycle cellulaire demeurent des sujets débat. Dans cette thèse, une nouvelle méthode de comptage de molécules uniques à l'aide de la microscopie à réflexion totale interne de la fluorescence (TIRF) sera décrite, puis exploitée afin d'élucider la composition moléculaire des nucléosomes contenant CENP-A, extraits de cellules en prolifération. Nous démontrons que les nucléosomes contenant CENP-A marquent les centromères humains de façon épigénétique à travers le cycle cellulaire. De plus, nos données démontrent que la forme prénucléosomale de CENP-A, en association avec la protéine chaperon HJURP existe sous forme de monomère et de dimère, ce qui reflète une étape intermédiaire de l'assemblage de nucléosomes contenant CENP-A. Ensuite, des analyses quantitatives de centromères lors de différenciation myogénique, et dans différents tissus adultes révèlent des changements globaux qui maintiennent la marque épigénétique dans une forme inactive suite à la différentiation terminale. Ces changements incluent une réduction du nombre de points focaux de CENP-A, un réarrangement des points dans le noyau, ainsi qu'une réduction importante de la quantité de CENP-A. De plus, nous démontrons que lorsqu'une dédifférenciation cellulaire est induite puis le cycle cellulaire ré-entamé, le phénotype "différencié" décrit ci-haut est récupéré, et les centromères reprennent leur phénotype "prolifératif". En somme, cet oeuvre décrit la composition structurale sous-jacente à l'identité épigénétique des centromères de cellules humaines lors du cycle cellulaire, et met en lumière le rôle de CENP-A à l'extérieur du cycle cellulaire.

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Dissection du processus d’export des ARNm nucléaires par des approches de molécules uniques chez Saccharomyces cerevisae

Enfermer le porteur de l’information génétique dans le noyau a obligée la cellule a créé un système de transport complexe, qui permet l’export d’un ARNm du noyau au cytoplasme. Le mécanisme général de l’export des ARNm est encore mal connu, même si les facteurs principaux ont été découverts il y a longtemps. De récents progrès en microscopie nous ont permis d’étudier directement le comportement des ARNm durant le processus d’export. Durant ma maitrise, nous avons été capables de localiser et suivre des ARNm en temps réel pour la première fois chez Saccharomyces cerevisiae. Nous avons créé un gène rapporteur en mettant le gène GLT1 sous le contrôle du promoteur GAL1. Nous avons aussi marqué l’ARNm de GLT1 avec plusieurs boucles PP7. L’ARNm sera visible après l’attachement de plusieurs protéines PP7-GFP aux boucles. En utilisant la technique d’imagerie en cellules vivantes, nous sommes capable de visualiser et suivre chaque ARNm, depuis son relâchement du site de transcription jusqu’à l’export. Une fois relâché du site de transcription, l’ARNm diffuse librement dans le nucléoplasme, mais une fois à la périphérie nucléaire, il commence à « scanner » l’enveloppe nucléaire avant d’être exporté. Nous avons trouvé que le « scanning » dépend de la présence des Myosin Like Proteins (Mlp1p et Mlp2p), protéines qui forment le panier nucléaire, car suite à la délétion de MLP1 et MLP2, les ARNm n’étaient plus capable de « scanner ». Nous avons également trouvé que la partie C-terminale de Mlp1p était nécessaire au « scanning ». De plus, suite à la délétion du gène TOM1, gène codant pour une ubiquitine ligase, les ARNm ont un comportement similaire aux ARNm d’une souche ∆mlp1/mlp2, suggérant que le « scanning » permet à Tom1p d’ubiquitiner Yra1p, ce qui causera son relâchement de l’ARNm. Également, nous avons montré que les ARNm endogènes MDN1 et CBL2 scannent aussi la périphérie nucléaire. Ensemble, nos résultats suggèrent que le scanning est un processus par lequel passent tout les ARNm nucléaire lorsqu’ils se retrouvent à la périphérie du noyau, pour initier plusieurs étapes de réarrangements nécessaires à leurs export. De plus, nous avons examiné le rôle de Yhr127p, une protéine nouvellement identifiée qui se lie à l’ARN. Après avoir marqué cette protéine avec la GFP, nous avons montré qu’elle forme des foci dans le noyau et que ces derniers vont disparaitre suite à l’arrêt de la transcription. La délétion de YHR127 à conduit à une augmentation de la transcription de quelques gènes spécifiques, mais n’affecte pas la capacité de la cellule à exporter les ARNm. Nos résultats suggèrent que cette protéine joue un rôle dans la régulation de la transcription et/ou dans la stabilité de l’ARNm.

Iron-regulated surface determinant protein a mediates adhesion of staphylococcus aureus to human corneocyte envelope proteins

The ability of Staphylococcus aureus to colonize the human nares is a crucial prerequisite for disease. IsdA is a major S. aureus surface protein that is expressed during human infection and required for nasal colonization and survival on human skin. In this work, we show that IsdA binds to involucrin, loricrin, and cytokeratin K10, proteins that are present in the cornified envelope of human desquamated epithelial cells. To measure the forces and dynamics of the interaction between IsdA and loricrin (the most abundant protein of the cornified envelope), single-molecule force spectroscopy was used, demonstrating high-specificity binding. IsdA acts as a cellular adhesin to the human ligands, promoting whole-cell binding to immobilized proteins, even in the absence of other S. aureus components (as shown by heterologous expression in Lactococcus lactis). Inhibition experiments revealed the binding of the human ligands to the same IsdA region. This region was mapped to the NEAT domain of IsdA. The NEAT domain also was found to be required for S. aureus whole-cell binding to the ligands as well as to human nasal cells. Thus, IsdA is an important adhesin to human ligands, which predominate in its primary ecological niche.

21-Deoxycortisone (17 alpha-hydroxy4-pregnene-3,11,20-trione)

The title compound, C21H28O4, a synthetic glucocorticoid, crystallizes with a single molecule in the asymmetric unit. Ring A is almost in a half-chair conformation, rings B and C are almost in chair conformations, and ring D is between a twist and a 13 beta-envelope conformation. The A/B ring junction is quasi-trans, whereas the B/C and C/D ring junctions both approach trans characteristics. The molecule as a whole is slightly convex towards the beta side, with an angle of 9.60 (2)degrees between the C10-C19 and C13-C18 vectors. Molecular-packing and hydrogen-bonding (both intra- and inter-molecular) interactions play a major role in the structural association of the compound.

Quantification of mitochondrial DNA mutation load

Mitochondrial DNA (mtDNA) mutations are an important cause of genetic disease and have been proposed to play a role in the ageing process. Quantification of total mtDNA mutation load in ageing tissues is difficult as mutational events are rare in a background of wild-type molecules, and detection of individual mutated molecules is beyond the sensitivity of most sequencing based techniques. The methods currently most commonly used to document the incidence of mtDNA point mutations in ageing include post-PCR cloning, single-molecule PCR and the random mutation capture assay. The mtDNA mutation load obtained by these different techniques varies by orders of magnitude, but direct comparison of the three techniques on the same ageing human tissue has not been performed. We assess the procedures and practicalities involved in each of these three assays and discuss the results obtained by investigation of mutation loads in colonic mucosal biopsies from ten human subjects.

Quantification of mitochondrial DNA mutation load

Mitochondrial DNA (mtDNA) mutations are an important cause of genetic disease and have been proposed to play a role in the ageing process. Quantification of total mtDNA mutation load in ageing tissues is difficult as mutational events are rare in a background of wild-type molecules, and detection of individual mutated molecules is beyond the sensitivity of most sequencing based techniques. The methods currently most commonly used to document the incidence of mtDNA point mutations in ageing include post-PCR cloning, single-molecule PCR and the random mutation capture assay. The mtDNA mutation load obtained by these different techniques varies by orders of magnitude, but direct comparison of the three techniques on the same ageing human tissue has not been performed. We assess the procedures and practicalities involved in each of these three assays and discuss the results obtained by investigation of mutation loads in colonic mucosal biopsies from ten human subjects.

Terahertz spectroscopy and imaging at the nanoscale for biological and security applications

The chemical specificity of terahertz spectroscopy, when combined with techniques for sub-wavelength sensing, is giving new understanding of processes occurring at the nanometre scale in biological systems and offers the potential for single molecule detection of chemical and biological agents and explosives. In addition, terahertz techniques are enabling the exploration of the fundamental behaviour of light when it interacts with nanoscale optical structures, and are being used to measure ultrafast carrier dynamics, transport and localisation in nanostructures. This chapter will explain how terahertz scale modelling can be used to explore the fundamental physics of nano-optics, it will discuss the terahertz spectroscopy of nanomaterials, terahertz near-field microscopy and other sub-wavelength techniques, and summarise recent developments in the terahertz spectroscopy and imaging of biological systems at the nanoscale. The potential of using these techniques for security applications will be considered.

TNF-α influences the lateral dynamics of TNF receptor I in living cells

In mammalian cells, inflammation is mainly mediated by the binding of tumor necrosis factor alpha to tumor necrosis factor receptor 1. In this study, we investigated lateral dynamics of TNF-R1 before and after ligand binding using high-density single-particle tracking in combination with photoactivated localization microscopy. Our single-molecule data indicates the presence of tumor necrosis factor receptor 1 with different mobilities in the plasma membrane, suggesting different molecular organizations. Cholesterol depletion led to a decrease of slow receptor species and a strong increase in the average diffusion coefficient. Moreover, as a consequence of tumor necrosis factor-alpha treatment, the mean diffusion coefficient moderately increased while its distribution narrowed. Based on our observation, we propose a refined mechanism on the structural arrangement and activation of tumor necrosis factor receptor 1 in the plasma membrane.

Ab Initio Calculations of Structural Evolution and Conductance of Benzene-1,4-dithiol on Gold Leads

By performing at) initio density functional theory (DFT) calculations and electronic transport simulations based on the OFT nonequilibrium Green`s functions method we investigate how the conformational changes of a benzene-1,4-dithiol molecule bonded to gold affect the molecular transport as the electrodes are separated from each other. In particular we consider the full evolution of the stretching process until the Junction breaking point and compare results obtained with a standard semilocal exchange and correlation functional to those computed with a self-interaction corrected method. We conclude that the inclusion of self-interaction corrections is fundamental for describing both the molecule conductance and its stability against conformational fluctuations.

SURFACE-ENHANCED RAMAN SCATTERING: METAL NANOSTRUCTURES COATED WITH LANGMUIR-BLODGETT FILMS

This review deals with surface-enhancved Raman scattering (SERS) employing Langmuir-Blodgett (LB) films, which serve as model systems for developing theoretical and experimental studies to elucidate the SERS effect. In addition, LB films have be used as integral parts of molecular architectures for SERS-active substrates. On the other hand, SERS and surface-enhaced resonant Raman scattering (SERRS) have allowed various properties of LB films to be investigated, especially those associated with molecular-level interactions. In the paper, emphasis is placed on single molecule detection (SMD), where the target molecule is diluted on an LB matrix of spectral silent material (low Raman cross section). The perspectives and challenges for combining SERS and LB films are also discussed.

De-aggregation of polyfluorene derivative by blending with a series of poly(alkyl methacrylate)s with varying sidegroup sizes

A polyfluorene derivative of the PPV, poly(9,9`-n-dihexyl-2,7-fluorenedilvinylene-alt-1,4-phenylenevinylene), with a strong tendency to aggregation was blended with several members of a series composed by poly(alkyl methacrylate)s with the following substituents in the ester position: methyl, ethyl, isopropyl, isobutyl, n-butyl, and cyclohexyl. The de-aggregation effect in blends was studied by steady-state photoluminescence spectroscopy using several blend compositions. The efficiency of each dispersing phase was discussed in terms of the polymer miscibility, controlled by interaction parameters between the polyfluorene and every poly(alkyl methacrylate)s, here described using Hilde-brand solubility parameters. (c) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Only subtle protein conformational adaptations are required for ligand binding to thyroid hormone receptors: Simulations using a novel multipoint steered molecular dynamics approach

Thyroid hormone receptors (TR) are hormone-dependent transcription regulators that play a major role in human health, development, and metabolic functions. The thyroid hormone resistance syndrome, diabetes, obesity, and some types of cancer are just a few examples of important diseases that are related to TR malfunctioning, particularly impaired hormone binding. Ligand binding to and dissociation from the receptor ultimately control gene transcription and, thus, detailed knowledge of binding and release mechanisms are fundamental for the comprehension of the receptor`s biological function and development of pharmaceuticals. In this work, we present the first computational study of ligand entry into the ligand binding domain (LBD) of a nuclear receptor. We report molecular dynamics simulations of ligand binding to TRs using a generalization of the steered molecular dynamics technique designed to perform single-molecule pulling simulations along arbitrarily nonlinear driving pathways. We show that only gentle protein movements and conformational adaptations are required for ligand entry into the LBDs and that the magnitude of the forces applied to assist ligand binding are of the order of the forces involved in ligand dissociation. Our simulations suggest an alternative view for the mechanisms ligand binding and dissociation of ligands from nuclear receptors in which ligands can simply diffuse through the protein surface to reach proper positioning within the binding pocket. The proposed picture indicates that the large-amplitude protein motions suggested by the apo- and holo-RXR alpha crystallographic structures are not required, reconciling conformational changes of LBDs required for ligand entry with other nuclear receptors apo-structures that resemble the ligand-bound LBDs.