A comparative analysis by means of quantum molecular similarity measures of density distributions derived from conventional ab initio and density functional methods

A procedure based on quantum molecular similarity measures (QMSM) has been used to compare electron densities obtained from conventional ab initio and density functional methodologies at their respective optimized geometries. This method has been applied to a series of small molecules which have experimentally known properties and molecular bonds of diverse degrees of ionicity and covalency. Results show that in most cases the electron densities obtained from density functional methodologies are of a similar quality than post-Hartree-Fock generalized densities. For molecules where Hartree-Fock methodology yields erroneous results, the density functional methodology is shown to yield usually more accurate densities than those provided by the second order Møller-Plesset perturbation theory

Basis set and electron correlation effects on initial convergence for vibrational nonlinear optical properties of conjugated organic molecules

The level of ab initio theory which is necessary to compute reliable values for the static and dynamic (hyper)polarizabilities of three medium size π-conjugated organic nonlinear optical (NLO) molecules is investigated. With the employment of field-induced coordinates in combination with a finite field procedure, the calculations were made possible. It is stated that to obtain reasonable values for the various individual contributions to the (hyper)polarizability, it is necessary to include electron correlation. Based on the results, the convergence of the usual perturbation treatment for vibrational anharmonicity was examined

Initial convergence of the perturbation series expansion for vibrational nonlinear optical properties

Initial convergence of the perturbation series expansion for vibrational nonlinear optical (NLO) properties was analyzed. The zero-point vibrational average (ZPVA) was obtained through first-order in mechanical plus electrical anharmonicity. Results indicated that higher-order terms in electrical and mechanical anharmonicity can make substantial contributions to the pure vibrational polarizibility of typical NLO molecules

One- and two-center physical space partitioning of the energy in the density functional theory

A conceptually new approach is introduced for the decomposition of the molecular energy calculated at the density functional theory level of theory into sum of one- and two-atomic energy components, and is realized in the "fuzzy atoms" framework. (Fuzzy atoms mean that the three-dimensional physical space is divided into atomic regions having no sharp boundaries but exhibiting a continuous transition from one to another.) The new scheme uses the new concept of "bond order density" to calculate the diatomic exchange energy components and gives them unexpectedly close to the values calculated by the exact (Hartree-Fock) exchange for the same Kohn-Sham orbitals

Intramolecular basis set superposition error effects on the planarity of benzene and other aromatic molecules: A solution to the problem

Recently, the surprising result that ab initio calculations on benzene and other planar arenes at correlated MP2, MP3, configuration interaction with singles and doubles (CISD), and coupled cluster with singles and doubles levels of theory using standard Pople’s basis sets yield nonplanar minima has been reported. The planar optimized structures turn out to be transition states presenting one or more large imaginary frequencies, whereas single-determinant-based methods lead to the expected planar minima and no imaginary frequencies. It has been suggested that such anomalous behavior can be originated by two-electron basis set incompleteness error. In this work, we show that the reported pitfalls can be interpreted in terms of intramolecular basis set superposition error (BSSE) effects, mostly between the C–H moieties constituting the arenes. We have carried out counterpoise-corrected optimizations and frequency calculations at the Hartree–Fock, B3LYP, MP2, and CISD levels of theory with several basis sets for a number of arenes. In all cases, correcting for intramolecular BSSE fixes the anomalous behavior of the correlated methods, whereas no significant differences are observed in the single-determinant case. Consequently, all systems studied are planar at all levels of theory. The effect of different intramolecular fragment definitions and the particular case of charged species, namely, cyclopentadienyl and indenyl anions, respectively, are also discussed

Long-distance wound signalling in arabidopsis

The leaves of all plants use elaborate and inducible defence systems to protect themselves. A wide variety of such defences are known and they include defence chemicals such as alkaloids, phenolics and terpenes, physical structures ranging from fibre cells to silica deposits, and a wide variety of defence proteins many of which target digestive processes in herbivores. It has long been known that the defence responses of plants under attack by insects are not restricted to the site of attack. Instead, if a leaf is damaged, defence can be triggered in other parts of the plant body, for example in distal leaves or even in roots and flowers. This raises the question of what are the organ-to-organ signals that coordinate this process. Several hypotheses have been proposed. These include the long-distance transfer of chemical signals through the plant vasculature, hydraulic signals that may transit through the xylem, and electrical signals that would move through living tissues such as the phloem. Much evidence for each of these scenarios has been published. In this thesis we took advantage of the fact that many plant defence responses are regulated by a signal transduction pathway based on a molecule called jasmonic acid. We used this molecule, one of its derivatives (jasmonoyl-isoleucine), and some of the genes it regulates as markers. Using these we investigated the possible role of the electrical signals in the leaf- to-leaf activation of the jasmonate pathway. We found that feeding insects stimulate easily detected electrical activity in the leaves of Arabidopsis thaliana and we used non-invasive surface electrodes to record this activity. This approach showed that jasmonate pathway activity and the electrical activity provoked by mechanical wounding occurred within identical spatial boundaries. Measurements of the apparent speed of surface potentials agreed well with previous velocity estimates for the speed of leaf-to-leaf signals that activate the jasmonate pathway. Using this knowledge we were able to investigate the effects of current injection into Arabidopsis leaves. This resulted in the strong expression of many jasmonate-regulated genes. All these results showed that electrical activity and the activation of jasmonate signalling were highly correlated. In order to test for possible causal links between the two processes, we conducted a small-scale reverse genetic screen on a series of T-DNA insertion mutants in ion channel genes and in other genes encoding proteins such as proton pumps. This screen, which was based on surface potential measurements, revealed that mutations in genes related to ionotropic glutamate receptors in animals had impaired electrical activity after wounding. Combining mutation of two of these glutamate-receptor-like genes in a double mutant reduced the response of leaves to current injection. When a leaf of this double mutant was wounded it failed to transmit a long-distance signal to a distal leaf. This result distinguished the double mutant from the wild-type plant and provides the first genetic evidence that electrical signalling is necessary to coordinate defence responses between organs in plants. - Les feuilles des plantes disposent de systèmes de défense inductibles très élaborés. Un grand nombre de ces systèmes de défenses sont connus et sont basés sur des composés chimiques comme les alcaloïdes, les composés phénoliques ou les terpènes, des systèmes physiques allant de la production de cellules fibreuses aux cristaux de silice ainsi qu'un grand nombre de protéines de défense ciblant le processus digestif des herbivores. Il est connu dépuis longtemps que la réponse défensive de la plante face à l'attaque pas un insecte n'est pas seulement localisée au niveau de la zone d'attaque. A la place, si une feuille est attaquée, les systèmes de défense peuvent être activés ailleurs dans la plante, comme par exemple dans d'autres feuilles, les racines ou même les fleurs. Ces observations soulèvent la question de la nature des signaux d'organes à organes qui régulent ces systèmes. Plusieurs hypothèses ont été formulées; une ou plusieures molécules pourraient être véhiculées dans la plante grâce au système vasculaire, un signal hydraulique transmis au travers du xylème ou encore des signaux électriques transmis par les cellules comme dans le phloème par exemple. De nombreuses études ont été publiées sur ces différentes hypothèses. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi d'utiliser à notre avantage le fait que de nombreuses réponses de défense de la plante sont régulées par une même voie de signalisation utilisant l'acide jasmonique. Nous avons utilisé comme marqueurs cette molécule, un de ses dérivés (le jasmonoyl-isoleucine) ainsi que certains des gènes que l'acide jasmonique régule. Nous avons alors testé l'implication de la transmission de signaux électriques dans l'activation de la voie du jasmonate de feuille à feuille. Nous avons découvert que les insectes qui se nourrissent de feuilles d'Arabidopsis thaliana activent un signal électrique que nous avons pu mesurer grâce à une technique non invasive d'électrodes de surface. Les enregistrements ont montré que la génération de signaux électriques et l'activation de la voie du jasmonate avaient lieu aux mêmes endroits. La mesure de la vitesse de déplacement des impulsions électriques correspond aux estimations faites concernant l'activation de la voie du jasmonate. Grâce à cela, nous avons pu tester l'effet d'injection de courant électrique dans les feuilles d'Arabidopsis. La conséquence a été une forte expression de nombreux gènes de la voie du jasmonate, suggérant une forte corrélation entre l'activité électrique et l'activation de la voie du jasmonate. Afin de tester le lien de cause entre ces deux phénomènes, nous avons entrepris un criblage génétique sur une série de mutants d'insertion à l'ADN-T dans des gènes de canaux ioniques et d'autres gènes d'intérêt comme les gènes des pompes à protons. Ce criblage, basé sur la mesure de potentiels de surface, a permis de montrer que plusieurs mutations de gènes liés aux récepteurs au glutamate ionotropique présentent une baisse drastique de leurs activités électriques après une blessure mécanique des feuilles par rapport au type sauvage. Par la combinaison de deux mutations de ces récepteurs au glutamate en un double mutant, on obtient une réponse à la stimulation électrique encore plus faible. Quand une feuille du double mutant est blessée, elle est incapable de transmettre un signal à longue distance vers une feuille éloignée. Ce résultat permet de distinguer le double mutant de la plante sauvage et amène la première preuve génétique que l'activité électrique est nécessaire pour coordonner les réponses de défense entre les organes chez les plantes.

Estudi teòric de nanotubs de nitrur de bor d'interès biomèdic

La integració dels materials biocompatibles en la nanotecnologia ha permès aquesta àrea tenir aplicacions en els camps de la biologia i la medicina, un fet que ha donat lloc a l'aparició de la nanobiotecnologia. La gran majoria d'aquestes aplicacions es basen en un aspecte fonamental: la interacció que es dóna entre els constituents biològics (normalment proteïnes) i els materials biocompatibles. Els nanotubs de carboni presenten una citotoxicitat inherent, mentre que els de nitrur de bor (BNNTs), isòsters amb els de carboni, són inherentment no-citotòxics i mostren una afinitat natural per les proteïnes. En aquesta memòria es presenten els resultats obtinguts de la interacció de BNNTs amb constituents bàsics biomoleculars (molècules que representen grups funcionals i aminoàcids) en absència de solvent mitjançant tècniques de modelatge i càlculs químic-quàntics amb tractament periòdic realitzats amb el codi CRYSTAL09. En primer lloc, s'ha trobat que els mètodes DFT basats en el GGA donen valors de band gap excessivament baixos (2.7 - 4.6 eV) comparat amb el valor experimental (5.5 eV), mentre que el funcional híbrid B3LYP dóna bons valors de band gap, el més acurat essent un BNNT amb índex (9,0), (5.4 eV). S'ha determinat que la interacció de BNNTs amb molècules pot venir guiat per: i) interaccions datives amb el B; ii) enllaç d'H amb el N; iii) interaccions pi-stacking. Les dues primeres forces d'interacció es veuen afavorides en BNNTs de radi petit, els quals interaccionen molt favorablement amb molècules polars, mentre que les terceres es veuen afavorides en BNNTs de radi gran, els quals interaccionen molt favorablement amb sistemes aromàtics o que continguin dobles enllaços. S'ha estudiat la interacció de BNNTs(6,0) amb molècules que contenen grups funcionals presents en residus aminoàcids i s'ha establert una escala d'afinitats relativa, la qual indica que tenen la major interacció aquelles molècules que estableixen interaccions datives B(nanotub)-N(molècula), seguit d’aquelles molècules que poden establir interaccions de tipus pi-stacking, i acabant amb aquelles molècules que estableixen interaccions datives B(nanotub)-O(molècula). Per últim s'ha estudiat la interacció de BNNTs amb diferents aminoàcids (glicina, lisina, àcid glutàmic i fenilalanina) i s'ha establert una escala d'afinitats relativa, la qual està d'acord amb les tendències observades per les molècules que contenen grups funcionals de residus aminoàcids.

Agonistes de neurotrofines com a teràpia neuroprotectora per la Esclerosi Múltiple

Les neurotrofines son factors tròfics que poden induir la supervivencia, la diferenciació i el creixement de les neurones i aquesta és la principal raó per la qual les estudiem en el context de les malalties neurológiques. Les propietats nombrades son crucials per a la cerca d’efectes funcionals pel que fa a tractaments de malalties neurológiques. Avui en dia. donada la seva activitat neuroprotectora, s’ha intentat l’administració extena de neurotrofines com una terapia per diverses enfermetats cerebrals, pero fins ara han tingut poc o cap resultat donada la inhabilitat d’aquestes molècules per creuar la barrera hematoencefàlica i pels seus efectes secondaris, com ara el dolor neuroilogic. Per això, l’aplicació de petites molècules similars a les neurotrofines es considerada com unapossible sol•lució com un possible tractament neuroprotector amb el cervell com a diana. L’objectiu principal d’aquest projecte és testar l’eficacia d’un compost replicant de la neurotrofina pel tractament de algunes enfermetats neurològiques i per a estudiar el mecanisme d’acció d’aquesta molècula. Els resultats obtinguts fins al moment mostren que hem desenvolupat e identificat un compost replicant de la neurotrofina (G79) que manté la seva capacitat com a factor de creixement nerviós (NGF) en un assaig funcional d’NGF (diferenciació i tests de supervivència). A més a més, hem obtingut una proba de concepte per a la eficacia d’aquest compost com un agent terapèutic en diversos models in vivo e in vitro d’Esclerosi Múltiple, glaucoma, enfermetat de Parkinson y Esclerosi Lateral Amiotrófica. En conclusió, els resultats obtinguts durant aquests dos anys suggereixen que la molècula replicant d’NGF G79 és un bon candidat per a ser desenvolutat com a part d’una estratégica terapeutica la diferenciació neuronal, promou la supervivència, activa la fosforilització de TrkA i TrkB, vies de senyalització específiques de la neurotrofina. Aquesta molècula ademés pot creuar la barrera hematoencefàlica per vies de transport actiu, millora el score clínic en animals infectats per Encefalomielitis Autoinmune Experimental, protegeix les cèlules gangliars retinals en el model in vivo de Glaucoma, promou la supervivència de les cèlules en els models in vitro de l’enfermetat de Parkinson i en ELA. En resum, els nostres resultats sugereixen que les molècules replicants de neurotrofina poden desenvoluparse com part d’una estratègia terapéutica neuroprotectora.

Development and validation of AMANDA, a new algorithm for selecting highly relevant regions in Molecular Interaction Fields

Descriptors based on Molecular Interaction Fields (MIF) are highly suitable for drug discovery, but their size (thousands of variables) often limits their application in practice. Here we describe a simple and fast computational method that extracts from a MIF a handful of highly informative points (hot spots) which summarize the most relevant information. The method was specifically developed for drug discovery, is fast, and does not require human supervision, being suitable for its application on very large series of compounds. The quality of the results has been tested by running the method on the ligand structure of a large number of ligand-receptor complexes and then comparing the position of the selected hot spots with actual atoms of the receptor. As an additional test, the hot spots obtained with the novel method were used to obtain GRIND-like molecular descriptors which were compared with the original GRIND. In both cases the results show that the novel method is highly suitable for describing ligand-receptor interactions and compares favorably with other state-of-the-art methods.

Suitability of GRIND-based principal properties for the description of molecular similarity and ligand-based virtual screening

The information provided by the alignment-independent GRid Independent Descriptors (GRIND) can be condensed by the application of principal component analysis, obtaining a small number of principal properties (GRIND-PP), which is more suitable for describing molecular similarity. The objective of the present study is to optimize diverse parameters involved in the obtention of the GRIND-PP and validate their suitability for applications, requiring a biologically relevant description of the molecular similarity. With this aim, GRIND-PP computed with a collection of diverse settings were used to carry out ligand-based virtual screening (LBVS) on standard conditions. The quality of the results obtained was remarkable and comparable with other LBVS methods, and their detailed statistical analysis allowed to identify the method settings more determinant for the quality of the results and their optimum. Remarkably, some of these optimum settings differ significantly from those used in previously published applications, revealing their unexplored potential. Their applicability in large compound database was also explored by comparing the equivalence of the results obtained using either computed or projected principal properties. In general, the results of the study confirm the suitability of the GRIND-PP for practical applications and provide useful hints about how they should be computed for obtaining optimum results.

Genome reconstruction and comparative genomics of pneumocystis jirovecii

Pneumocystis jirovecii is a fungus belonging to a basal lineage of the Ascomycotina, the Taphrinomycotina subphylum. It is a parasite specific to humans that dwells primarily in the lung and can cause severe pneumonia in individuals with debilitated immune system. Despite its clinical importance, many aspects of its biology remain poorly understood, at least in part because of the lack of a continuous in vitro cultivation system. The present thesis consists in the genome reconstruction and comparative genomics of P. jirovecii. It is made of three parts: (i) the de novo sequencing of P. jirovecii genome starting from a single broncho- alveolar lavage fluid of a single patient (ii) the de novo sequencing of the genome of the plant pathogen Taphrina deformans, a fungus closely related to P. jirovecii, and (iii) the genome scale comparison of P. jirovecii to other Taphrinomycotina members. Enrichment in P. jirovecii cells by immuno-precipitation, whole DNA random amplification, two complementary high throughput DNA sequencing methods, and in silico sorting and assembly of sequences were used for the de novo reconstruction of P. jirovecii genome from the microbiota of a single clinical specimen. An iterative ad hoc pipeline as well as numerical simulations was used to recover P. jirovecii sequences while purging out contaminants and assembly or amplification chimeras. This strategy produced a 8.1 Mb assembly, which encodes 3,898 genes. Homology searches, mapping on biochemical pathways atlases, and manual validations revealed that this genome lacks (i) most of the enzymes dedicated to the amino acids biosyntheses, and (ii) most virulence factors observed in other fungi, e.g. the glyoxylate shunt pathway and specific peptidases involved in the degradation of the host cell membrane. The same analyses applied to the available genomic sequences from Pneumocystis carinii the species infecting rats and Pneumocystis murina the species infecting mice revealed the same deficiencies. The genome sequencing of T. deformans yielded a 13 Mb assembly, which encodes 5,735 genes. T. deformans possesses enzymes involved plant cell wall degradation, secondary metabolism, the glyoxylate cycle, detoxification, sterol biosynthesis, as well as the biosyntheses of plant hormones such as abscisic acid or indole-3-acetic acid. T. deformans also harbors gene subsets that have counterparts in plant saprophytes or pathogens, which is consistent with its alternate saprophytic and pathogenic lifestyles. Mating genes were also identified. The homothallism of this fungus suggests a mating-type switching mechanism. Comparative analyses indicated that 81% of P. jirovecii genes are shared with eight other Taphrinomycotina members, including T. deformans, P. carinii and P. murina. These genes are mostly involved in housekeeping activities. The genes specific to the Pneumocystis genus represent 8%, and are involved in RNA metabolism and signaling. The signaling is known to be crucial for interaction of Pneumocystis spp with their environment. Eleven percent are unique to P. jirovecii and encode mostly proteins of unknown function. These genes in conjunction with other ones (e.g. the major surface glycoproteins) might govern the interaction of P. jirovecii with its human host cells, and potentially be responsible of the host specificity. P. jirovecii exhibits a reduced genome in size with a low GC content, and most probably scavenges vital compounds such as amino acids and cholesterol from human lungs. Consistently, its genome encodes a large set of transporters (ca. 22% of its genes), which may play a pivotal role in the acquisition of these compounds. All these features are generally observed in obligate parasite of various kingdoms (bacteria, protozoa, fungi). Moreover, epidemiological studies failed to evidence a free-living form of the fungus and Pneumocystis spp were shown to co-evolved with their hosts. Given also the lack of virulence factors, our observations strongly suggest that P. jirovecii is an obligate parasite specialized in the colonization of human lungs, and which causes disease only in individuals with compromised immune system. The same conclusion is most likely true for all other Pneumocystis spp in their respective mammalian host. - Pneumocystis jirovecii est un champignon appartenant à ine branche basale des Ascomycotina, le sous-embranchement des Taphrinomycotina. C'est un parasite spécifique aux humains qui réside principalement dans les poumons, et qui peut causer des pneumonies sévères chez des individus ayant un système immunitaire déficient. En dépit de son importance clinique, de nombreux aspects de sa biologie demeurent,largement méconnus, au moins en partie à cause de l'absence d'un système de culture in vitro continu. Cette thèse traite de la reconstruction du génome et de la génomique comparative de P. jirovecii. Elle comporte trois parties: (i) le séquençage de novo du génome de P. jirovecii à partir d'un lavage broncho-alvéolaire provenant d'un seul patient, (ii) le séquençage de novo du génome d'un champignon pathogène de plante Taphrina deformans qui est phylogénétiquement proche de P. jirovecii, et (iii) la comparaison du génome de P. jirovecii à celui d'autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Un enrichissement en cellules de P. jirovecii par immuno-précipitation, une amplification aléatoire des molécules d'ADN, deux méthodes complémentaires de séquençage à haut débit, un tri in silico et un assemblage des séquences ont été utilisés pour reconstruire de novo le génome de P. jirovecii à partir du microbiote d'un seul échantillon clinique. Un pipeline spécifique ainsi que des simulations numériques ont été utilisés pour récupérer les séquences de P. jirovecii tout en éliminant les séquences contaminants et les chimères d'amplification ou d'assemblage. Cette stratégie a produit un assemblage de 8.1 Mb, qui contient 3898 gènes. Les recherches d'homologies, de cartographie des voies métaboliques et des validations manuelles ont révélé que ce génome est dépourvu (i) de la plupart des enzymes dédiées à la biosynthèse des acides aminés, et (ii) de la plupart des facteurs de virulence observés chez d'autres champignons, par exemple, le cycle du glyoxylate ainsi que des peptidases spécifiques impliquées dans la dégradation de la membrane de la cellule hôte. Les analyses appliquées aux données génomiques disponibles de Pneumocystis carinii, l'espèce infectant les rats, et de Pneumocystis murina, l'espèce infectant les souris, ont révélé les mêmes déficiences. Le séquençage du génome de T. deformans a généré un assemblage de 13.3 Mb qui contient 5735 gènes. T. deformans possède les gènes codant pour les enzymes impliquées dans la dégradation des parois cellulaires des plantes, le métabolisme secondaire, le cycle du glyoxylate, la détoxification, la biosynthèse des stérols ainsi que la biosynthèse d'hormones de plantes telles que l'acide abscissique ou l'acide indole 3-acétique. T. deformans possède également des sous-ensembles de gènes présents exclusivement chez des saprophytes ou des pathogènes de plantes, ce qui est consistent avec son mode de vie alternatif saprophyte et pathogène. Des gènes impliqués dans la conjugaison ont été identifiés. L'homothallisme de ce champignon suggère mécanisme de permutation du type conjuguant. Les analyses comparatives ont démontré que 81% des gènes de P. jirovecii sont présent chez les autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Ces gènes sont essentiellement impliqués dans le métabolisme basai. Les gènes spécifiques au genre Pneumocystis représentent 8%, et sont impliqués dans le métabolisme de l'ARN et la signalisation. La signalisation est connue pour être cruciale pour l'interaction des espèces de Pneumocystis avec leur environnement. Les gènes propres à P. jirovecii représentent 11% et codent en majorité pour des protéines dont la fonction est inconnue. Ces gènes en conjonction avec d'autres (par exemple, les glycoprotéines de surface), pourraient être déterminants dans l'interaction de P. jirovecii avec les cellules de l'hôte humain, et être potentiellement responsable de la spécificité d'hôte. P. jirovecii possède un génome de taille réduite à faible pourcentage en GC et récupère très probablement des composés vitaux comme les acides aminés et le cholestérol à partir des poumons humains. De manière consistante, son génome code pour de nombreux transporteurs (22% de ses gènes), qui pourraient jouer un rôle essentiel dans l'acquisition de ces composés. Ces caractéristiques sont généralement observées chez les parasites obligatoires de plusieurs règnes (bactéries, protozoaires, champignons). De plus, les études épidémiologiques n'ont pas réussi à prouver l'existence d'ime forme vivant librement du champignon. Etant donné également l'absence de facteurs de virulence, nos observations suggèrent que P. jirovecii est un parasite obligatoire spécialisé dans la colonisation des poumons humains, ne causant une maladie que chez des individus ayant un système immunitaire compromis. La même conclusion est très probablement applicable à toutes les autres espèces de Pneumocystis dans leur hôte mammifère respectif.

Generation of reconstituted human plasma-derived secretory-like IgA and IgM and their protective effect on intestinal epithelium

Les muqueuses sont les membranes tapissant les cavités du corps, tel que le tube digestif, et sont en contact direct avec l'environnement extérieur. Ces surfaces subissent de nombreuses agressions pouvant être provoquées par des agents pathogènes (bactéries, toxines ou virus). Cela étant, les muqueuses sont munies de divers mécanismes de protection dont notamment deux protéines-clés permettant de neutraliser les agents pathogènes : les anticorps ou immunoglobulines sécrétoires A (SIgA) et M (SIgM). Ces anticorps sont, d'une part, fabriqués au niveau de la muqueuse sous forme d'IgA et IgM. Lorsqu'ils sont sécrétés dans l'intestin, ils se lient à une protéine appelée pièce sécrétoire et deviennent ainsi SIgA et SïgM. La présence de la pièce sécrétoire est essentielle pour que les anticorps puissent fonctionner au niveau de la muqueuse. D'autre part, ces anticorps sont également fabriqués dans d'autres parties du corps en général et se retrouvent dans le sang sous forme d'IgA et IgM Chez l'homme, des thérapies basées sur l'injection d'anticorps donnent de bons résultats depuis de nombreuses années notamment dans le traitement des infections. Bien qu'un certain nombre d'études ont montré le rôle protecteur des anticorps de type IgA et IgM, ceux-ci ne sont que rarement utilisés dans les thérapies actuelles. La principale raison de cette faible utilisation réside dans la production ou la purification des IgA/IgM ou SIgA/SIgM (la forme active au niveau des muqueuses) qui est difficile à réaliser à large échelle. Ainsi, le but de la thèse était (1) d'étudier la possibilité d'employer des IgA et des IgM provenant du sang humain pour générer des SIgA et SIgM et (2) de voir si ces anticorps reconstitués pouvaient neutraliser certains agents pathogènes au niveau des muqueuses. Tout d'abord, une analyse biochimique des IgA et des IgM issues du sang a été effectuée. Nous avons observé que ces anticorps avaient des caractéristiques similaires aux anticorps naturellement présents au niveau des muqueuses. De plus, nous avons confirmé que ces anticorps pouvaient être associés à une pièce sécrétoire produite en laboratoire pour ainsi donner des SIgA et SIgM reconstituées. Ensuite, la fonctionnalité des anticorps reconstitués a été testée grâce à un modèle de couche unique de cellules intestinales différenciées (monocouches) en laboratoire imitant la paroi de l'intestin. Ces monocouches ont été infectées par une bactérie pathogène, Shigella flexneri, responsable de la shigellose, une maladie qui provoque des diarrhées sanglantes chez l'homme. L'infection des monocouches par les bactéries seules ou combinées aux SIgA et SIgM reconstituées a été analysée. Nous avons observé que les dommages des cellules étaient moins importants lorsque les SIgA étaient présentes. Il apparaît que les SIgA neutralisent les bactéries en se fixant dessus, ce qui provoque leur agrégation, et diminuent l'inflammation des cellules. La protection s'est montrée encore plus efficace avec les SIgM. De plus, nous avons vu que les SIgA et SIgM pouvaient diminuer la sécrétion de facteurs nocifs produits par les bactéries. Utilisant le même modèle des monocouches, la fonctionnalité des IgA issues du sang humain a aussi été testée contre une toxine sécrétée par une bactérie appelée Clostridium diffìcile. Cette bactérie peut être présente naturellement dans l'intestin de personnes saines, cependant elle peut devenir pathogène dans certaines conditions et être à l'origine de diarrhées et d'inflammations de l'intestin via la sécrétion de toxines. Des préparations d'anticorps contenant une certaine proportion de SIgA reconstituées ont amené à une diminution des dommages et de l'inflammation des monocouches causés par la toxine. L'ensemble de ces résultats prometteurs, montrant que des SIgA et SIgM reconstituées peuvent protéger la paroi de l'intestin des infections bactériennes, nous conduisent à approfondir la recherche sur ces anticorps dans des modèles animaux. L'aboutissement de ce type de recherche permettrait de tester, par la suite, l'efficacité sur l'homme de traitements des infections des muqueuses par injection d'anticorps de type SIgA et SIgM reconstituées. Les muqueuses, telle que la muqueuse gastrointestinale, sont des surfaces constamment exposées à l'environnement et leur protection est garantie par une combinaison de barrières mécaniques, physicochimiques et immunologiques. Parmi les divers mécanismes de protection immunologiques, la réponse humorale spécifique joue un rôle prépondérant et est assurée par les immunoglobulines sécrétoires de type A (SIgA) et M (SIgM). Les thérapies basées sur l'administration d'IgG apportent d'importants bénéfices dans le domaine de la santé. Bien que des études sur les animaux aient montré que l'administration par voie muqueuse d'IgA polymérique (plgA) ou SIgA pouvaient protéger des infections, des IgA/SIgA n'ont été utilisées qu'occasionnellement dans les thérapies. De plus, des études précliniques et cliniques ont démontré que l'administration par voie systémique de préparations enrichies en IgM pouvait aussi protéger des infections. Cependant, l'administration par voie muqueuse d'IgM/SIgM purifiées n'a pas été examinée jusqu'à présent. La principale raison est que la purification ou là production des IgA/SIgA et IgM/SIgM est difficile à réaliser à large échelle. Le but de ce travail de thèse était d'examiner la possibilité d'associer des IgA et IgM polyclonals purifiées à partir du plasma humain avec une pièce sécrétoire recombinante humaine afin de générer des SIgA et SIgM reconstituées fonctionnelles. Tout d'abord, une analyse biochimique des IgA et IgM issues du plasma humain a été effectuée par buvardage de western et Chromatographie. Ces molécules avaient des caractéristiques biochimiques similaires à celles des immunoglobulines issues de la muqueuse. L'association entre plgA ou IgM issues du plasma humain et la pièce sécrétoire recombinante humaine a été confirmée, ainsi que la stoechiométrie 1:1 de l'association. Comme dans les conditions physiologiques, cette association permettait de retarder la dégradation des SIgA et SIgM reconstituées exposées à des protéases intestinales. Ensuite, la fonctionnalité et le mode d'action des IgA et IgM issues du plasma humain, ainsi que des SIgA et SIgM reconstituées, ont été explorés grâce à un modèle in vitro de monocouches de cellules intestinales épithéliales polarisées de type Caco-2, qui imite l'épithélium intestinal. Les monocouches ont été infectées par un pathogène entérique, Shigella flexneri, seul ou combiné aux immunoglobulines issues du plasma humain ou aux immunoglobulines sécrétoires reconstituées. Bien que les dommages des monocouches aient été retardés par les plgA et SIgA reconstituées, les IgM et SIgM reconstituées se sont montrées supérieures dans le maintien de l'intégrité des cellules. Une agrégation bactérienne et une diminution de l'inflammation des monocouches ont été observées avec les plgA et SIgA reconstituées. Ces effets étaient augmentés avec les IgM et SIgM reconstituées. De plus, il s'est révélé que les deux types d'immunoglobulines de type sécrétoire reconstituées agissaient directement sur la virulence des bactéries en réduisant leur sécrétion de facteurs de virulence. La fonctionnalité des IgA issues du plasma humain a aussi été testée contre la toxine A de Clostridium difficile grâce au même modèle de monocouches de cellules épithéliales. Nous avons démontré que des préparations enrichies en IgA provenant du plasma humain pouvaient diminuer les dommages et l'inflammation des monocouches induits par la toxine. L'ensemble de ces résultats démontrent que des IgA et IgM de type sécrétoire peuvent être générées à partir d'IgA et IgM issues du plasma humain en les associant à la pièce sécrétoire et que ces molécules protègent l'épithélium intestinal contre des bactéries pathogènes. Ces molécules pourraient dès lors être testées dans des modèles in vivo. Le but final serait de les utiliser chez l'homme à des fins d'immunisation passive dans le traitement de pathologies associées à la muqueuse telles que les infections. - Mucosal surfaces, such as gastrointestinal mucosa, are constantly exposed to the external environment and their protection is ensured by a combination of mechanical, physicochemical and immunological barriers. Among the various immunological defense mechanisms, specific humoral mucosal response plays a crucial role and is mediated by secretory immunoglobulins A (SIgA) and M (SIgM). Immunoglobulin therapy based on the administration of IgG molecules leads important health benefits. Even though animal studies have shown that mucosal application of polymeric IgA (plgA) or SIgA provided protection against infections, IgA/SIgA have been only used occasionally for therapeutic application. Moreover, preclinical and clinical studies have demonstrated that systemic administration of IgM-enriched preparations could also afford protection against infections. Nevertheless, mucosal application of purified IgM/SIgM has not been examined. The main reason is that the purification or production of IgA/SIgA and IgM/SIgM at large scale is difficult to achieve. The aim of this PhD project was to examine the possibility to associate polyclonal human plasma-derived IgA and IgM with recombinant human secretory component (SC) to generate functional secretoiy-like IgA and IgM. First, biochemical analysis of human plasma IgA and IgM was performed by western blotting and chromatography. These molecules exhibited the same biochemical features as mucosa-derived antibodies (Abs). The association between human plasma plgA or IgM and recombinant human SC was confirmed, as well as the 1:1 stoichiometry of association. Similarly to physiological conditions, this association delayed the degradation of secretory-like IgA or IgM by intestinal proteases. Secondly, the function activity and the mode of action of human plasma IgA and IgM, as well as secretory-like IgA and IgM were explored using an in vitro model of polarized intestinal epithelial Caco-2 cell monolayers mimicking intestinal epithelium. Cell monolayers were infected with an enteropathogen, Shigella flexneri, alone or in combination to plasma Abs or secretory-like Abs. Even though plasma plgA and secretoiy-like IgA resulted in a delay of bacteria-induced damages of cell monolayers, plasma IgM and secretory-like IgM were shown to be superior in maintenance of cell integrity. Polymeric IgA and secretory-like IgA induced bacterial aggregation and decreased cell monolayer inflammation, effects further amplified with IgM and secretory-like IgM. In addition, both secretory-like Abs directly impacted on bacterial virulence leading to a reduction in secretion of virulence factors by bacteria. The functionality of human plasma IgA was also tested against Clostridium difficile toxin A using Caco-2 cell monolayers. Human plasma IgA- enriched preparations led to a diminution of cell monolayer damages and a decrease of cellular inflammation induced by the toxin. The sum of these results demonstrates that secretory-like IgA and IgM can be generated from purified human plasma IgA and IgM associated to SC and that these molecules are functional to protect intestinal epithelium from bacterial infections. These molecules could be now tested using in vivo models. The final goal would be to use them by passive immunization in the treatment of mucosa-associated pathologies like infections in humans.

Characterization of N-cadherin association to lipid rafts in melanoma

RESUME La peau est un organe complex composé de deux parties distinctes: l'épiderme et le derme, séparé par une membrane basale. Dans la couche basale de l'épiderme, les melanocytes synthétisent la mélanine dans des mélanosomes. Les mélanosomes sont ensuite transportés des mélanocytes vers les kératinocytes, protégeant ainsi la peau des dégâts dus aux radiations U.V. La E-cadhérine assure l'adhésion entre les mélanocytes et les kératinocytes. Au cours de la transformation du mélanocyte en cellule malignes, les mélanocytes perdent l'expression de la E-cadhérine et, simultanément, se mettent à exprimer la N-cadhérine, ce phénomène est nommé « cadherin switch ». La perte de l'expression de la E-cadhérine permet au mélanocytes d'échapper au contrôle des kératinocytes, tandis que l'expression de la N-cadhérine promeut l'invasion métastasique des cellules de mélanome. Préalablement, nous avons trouvé qu'une fraction de la N-cadhérine était localisée les microdomaines membranaires spécialisés, enrichi en cholestérol et en glycosphingolipides, appelés « lipid rafts ». Une des particularité des « lipid rafts » est qu'ils sont riches en molécules permettant la transmission de signaux d'activation. De plus, des travaux récents rapportent qu'un sous-type de « lipid rafts » appelé caveolae pourrai contribuer à la progression tumorale. S'appuyant sur le rôle prépondérant de la N-cadhérine dans la progression du mélanome ainsi que sur sa présence dans les « lipid rafts », nous avons émis l'hypothèse que l'association de la N-cadhérine avec les « lipid rafts » pourrai contribuer à la progression du mélanome. Le but de ce projet à été de caractériser l'association de la Ncadhérine avec les « lipid rafts » au cours de la progression du mélanome. Au moyen de lignées cellulaires humaines, dérivées de mélanomes à différents stades de progression, nous avons trouvé que (1) la N-cadhérine est partiellement associée aux «lipid rafts » dans six lignées dérivées de mélanome en phase avancée de progression et dans des tumeurs expérimentales, mais pas dans deux lignées dérivées de mélanome à un stade plus précoce ; (2) l'association de la N-cadhérine dans les « lipid rafts » ne dépent pas de son niveau d'expression ; (3) la E-cadhérine n'est pas présente dans les « lipid rafts »d'une lignée de cellule de mélanome ayant conservé l'expression de la E-cadhérine ; (4) la localisation de la N-cadhérine dans les « lipid rafts »n'est pas modulée par les facteurs de croissance bFGF, IGF-I, et HRG1-β1, ni par des voies de signalisation impliquant MEK, PKA, les kinases de la famille Src, et PI3K ; (5) l'association de la N-cadhérine avec les « lipid rafts » n'est pas requise pour la stabilisation des jonctions adhérentes et n'est pas perturbée par la destruction de ces dernières ; (6) la N-cadhérine dans les « lipid rafts » forme un complexe avec β-caténine, p 120ctn et α-caténine. En conclusion, cette étude originale montre pour la première fois que dans des cellules de mélanome agressifs, une fraction de la N-cadhérine est localisée dans les « lipid rafts » en association avec β-caténine, p 120ctn et α-caténine. Comme la présence de la N-cadhérine dans les « lipid rafts » ne contribue pas à la formation de jonction adhérentes, cette étude suggère une nouvelle fonction pour la N-cadhérine dans les « lipid rafts ». SUMMARY Human skin is a complex organ composed of two layers separated by a basement membrane: the epidermis and the dermis. In the basal layer of the epidermis, the melanin-producing cells of the skin, the melanocytes deliver melanin-containing melanosomes to keratinocytes, thereby protecting the epidermis and the dermis from the deleterious effects of ultraviolet light. Melanocytes physically interact with keratinocytes through E-cadherin-mediated adhesion. During malignant transformation into melanoma cells, melanocytes lose E-cadherin expression and concomitantly gain expression of N-cadherin, a phenomenon referred to as "cadherin switch". Loss of E-cadherin allows melanocytes to escape the regulatory effects of neighbouring keratinocytes, while gain of N-cadherin expression promotes migration, invasion and metastatic abilities of melanoma cells. In preliminary experiments, we found that a fraction of N-cadherin localized to specialized membrane microdomains enriched in cholesterol- and glycosphingolipid, called lipid rafts. One particular feature of lipid rafts is that they are rich in signalling molecules and they possibly modulate transmembrane signalling events. Moreover, recent reports suggested that a specialized type of rafts called caveolae might contribute to tumor progression. Based on the documented role of N-cadherin in melanoma progression and its presence in lipid rafts of melanoma cells, we raised the hypothesis that the association of N-cadherin with lipid rafts might be relevant to melanoma progression. The aim of this project was to characterize N-cadherin associated to lipid rafts during melanoma progression. Using human melanoma cell lines derived from melanoma at different stages of progression, we found that (1) N-cadherin is partly associated to lipid rafts in six cell lines derived from melanomas at late stages of progression and in experimental tumors, but not in two melanoma cell lines derived from early stages; (2) N-cadherin targeting to lipid rafts does not depend on its expression level; (3) E-cadherin is not localized in lipid rafts of a melanoma cell line that retained E-cadherin expression; (4) N-cadherin localization to lipid rafts is not modulated by the growth factors bFGF, IGF-I, and HRG1-β1, nor by MEK-, PKA-, Src family kinases-, and PI3K-mediated signalling events; (5) the association of N-cadherin with lipid rafts is not required for adherens junctions stability nor it is perturbed by adherens junctions disruption; (6) N-cadherin in lipid rafts is in complex with β-catenin, p 120ctm and α-catenin. In conclusion, this study provides original evidence that in aggressive melanoma cells a pool of N-cadherin is localized in lipid rafts in association with β-catenin, p 120 and α-catenin. The presence of N-cadherin in lipid rafts independently of its involvement in adherens junctions formation, suggests a possible new role for N-cadherin recruited to lipid rafts. Further studies investigating the biological meaning of this localization promise to uncover new properties of this molecule.

Utilisation d'EMLA® (lidocaïne/prilocaïne)de façon routinière lors de vaccinations chez l'enfant : anodin?

L'utilisation d'EMLA 5%®, une association de deux anesthésiques locaux, la lidocaïne et la prilocaïne, sous forme de crème ou de patch, s'est répandue de façon assez générale. Son utilisation lors de gestes invasifs, tels que ponctions veineuses ou injections intramusculaires, petite chirurgie comme ablation de verrues plantaires ou biopsies cutanées, s'est étendue à toutes sortes d'indications, telles qu'administration de vaccins ou, en dehors d'une indication médicale, lors de piercing ou de pose de boucles d'oreilles. S'il est vrai que l'accent a été mis ces dernières années sur l'importance d'une bonne antalgie, en particulier chez les jeunes enfants, la généralisation de l'utilisation d'anesthésiques topiques pour des gestes anodins doit faire évoquer les risques potentiels associés à de telles molécules.

Role of myosin V in actin cable organization in fission yeast

Functional specialization is tightly linked to the ability of eukaryotic cells to acquire a particular shape. Cell morphogenesis, in turn, relies on the capacity to establish and maintain cell "polarity", which is achieved by orienting the trafficking of signaling molecules and organelles towards specific cellular locations and/or membrane domains. The "oriented" transport is based upon cytoskeletal polymers, microtubules and actin filaments, which serve as tracks for molecular motors. These latter generate motion that is translated either into pulling forces or directed transport. Fission yeast, a rod-like unicellular eukaryote, shapes itself by restricting growth at cell tips through the concerted activity of microtubules and actin cables. Microtubules, which assemble into 2-6 bundles and run parallel to the long axis of the cell, serve to orient growth to the tips. Growth is supported by the actin cytoskeleton, which provides tracks, the cables, for motor-based transport of secretory vesicles. The molecular motors, which bind cargos and deliver them to the tips along cables, are also known as type V myosins (hereafter indicated as myosin V). How the bundles of parallel actin filaments, i.e. the cables, extend from the tips through the cell and whether they serve any other purpose, besides providing tracks, is poorly understood. It is also unclear how the crosstalk between the two cytoskeletal systems is achieved. These are the basic questions I addressed during my PhD. The first part of the thesis work (Chapter two) suggests that the sole function of actin cables in polarized growth is to serve as tracks for motors. The data indicate that cells may have evolved two cytoskeletal systems to provide robustness to the polarization process but in principle a unique cytoskeleton might have been able to direct and support polarized growth. How actin cables are organized within the cell to optimize cargo transport is addressed later on (Chapter three). The major finding, based on the actin cable defect of cells lacking myosin Vs, is that actin filaments self-organize through the activity of the transport motors. In fact, by delivering cargos to cell tips and exerting physical pulling forces on actin filaments, Myosin Vs contribute not only to polarize cargo transport but also actin tracks. Among the cargos transported by Myosin V, which may be relevant to its function in organizing cables, there is likely the endoplasmic reticulum (ER). Actin cables, which run parallel to cortical ER, may serve as tracks for Myosin V. Myosin V-driven displacement, in turn, may account for the dynamic expansion and organization of ER during polarized growth as suggested in Chapter four. The last part of the work (Chapter five) highlights the existence of a crosstalk between actin and microtubules. In absence of myosin V, indeed, microtubules contribute to actin cable organization, likely playing a scaffolding/tethering function. Whether or not the kinesin 1, Klp3, plays any role in such process has to be demonstrated. In conclusion the work proposes a novel role for myosin Vs in actin organization, besides its transport function, and provides molecular tools to further dissect the role of this type of myosin in fission yeast. - La spécialisation fonctionnelle est étroitement connectée à la capacité des cellules eucaryotes d'acquérir une forme particulière. La morphogenèse cellulaire à son tour, est basée sur la capacité d'établir et de maintenir la polarité cellulaire, polarité réalisée en orientant le trafic des molécules signales et des organelles vers des zones cellulaires spécifiques. Ce transport directionnel dépend des polymères du cytosquelette, microtubules et microfilaments, qui servent comme des voies pour les moteurs moléculaires. Ces derniers engendrent du mouvement, traduit soit en force de traction soit en transport directionnel. La levure fissipare, un eucaryote unicellulaire en forme de bâtonnet, acquière sa forme en limitant sa croissance aux extrémités par l'action concertée des microtubules et de l'actine. Les microtubules, qui s'assemblent de façon antiparallèle et parcourent la cellule parallèlement à l'axe longitudinal, servent à orienter la croissance aux extrémités. Cette croissance est permise par le cytosquelette d'actine, fournissant des voies, les câbles, pour le transport actif des vésicules de sécrétion. Les moteurs moléculaires, responsables de ce transport actif sont aussi appelés myosines de type V (par la suite appelés myosines V). La manière dont ces câbles s'étendent depuis l'extrémité jusqu'à l'intérieur de la cellule est peu connue. De plus, on ignore également si ces câbles présentent une fonction autre que le transport. L'interaction entre les deux cytosquelettes est également obscure. Ce sont ces questions de base auxquelles j'ai tenté de répondre lors de ma thèse. La première partie de cette thèse (chapitre II) suggère que les câbles d'actine, pendant la croissance polarisée, fonctionnent uniquement comme des voies pour les moteurs moléculaires. Les données indiqueraient que les cellules ont fait évoluer deux systèmes de cytosquelette pour assurer plus de robustesse au processus de polarisation, bien que, comme nous le verrons, un système unique est suffisant. Au chapitre III, nous verrons comment les câbles d'actine sont organisés à l'intérieur de la cellule afin d'optimiser le transport des cargo. La découverte majeure, réalisée en observant des cellules dont la myosine V fait défaut, est que ces filaments d'actine s'auto organisent grâce au passage des moteurs moléculaires le long de ces voies. En réalité, en délivrant les cargos aux extrémités de la cellule et en exerçant des forces de traction sur les câbles, les myosines V contribuent non seulement à polariser le transport mais également à polariser les voies elles mêmes. Nous verrons également au chapitre IV, que parmi les cargos importants pour l'organisation des câbles, il y aurait le réticulum endoplasmique (RE). En effet, les câbles d'actine, qui s'étalent parallèlement au RE cortical, pourraient servir comme voie pour la myosine V. Cette dernière en retour pourrait être responsable de l'expansion dynamique et de l'organisation du RE pendant la croissance polarisée.