Models to study intermediate filament dynamics and functions

Intermediate filaments are part of the cytoskeleton and nucleoskeleton; they provide cells with structure and have important roles in cell signalling. The IFs are a large protein family with more than 70 members; each tightly regulated and expressed in a cell type-specific manner. Although the IFs have been known and studied for decades, our knowledge about their specific functions is still limited, despite the fact that mutations in IF genes cause numerous severe human diseases. In this work, three IF proteins are examined more closely; the nuclear lamin A/C and the cytoplasmic nestin and vimentin. In particular the regulation of lamin A/C dynamics, the role of nestin in muscle and body homeostasis as well as the functions and evolutionary aspects of vimentin are investigated. Together this data highlights some less well understood functions of these IFs. We used mass-spectrometry to identify inter-phase specific phosphorylation sites on lamin A. With the use of genetically engineered lamin A protein in combination with high resolution microscopy and biochemical methods we discovered novel roles for this phosphorylation in regulation of lamin dynamics. More specifically, our data suggests that the phosphorylation of certain amino acids in lamin A determines the localization and dynamics of the protein. In addition, we present results demonstrating that lamin A regulates Cdk5-activity. In the second study we use mice lacking nestin to gain more knowledge of this seldom studied protein. Our results show that nestin is essential for muscle regeneration; mice lacking nestin recover more slowly from muscle injury and show signs of spontaneous muscle regeneration, indicating that their muscles are more sensitive to stresses and injury. The absence of nestin also leads to decreased over-all muscle mass and slower body growth. Furthermore, nestin has a role in controlling testicle homeostasis as nestin-/- male mice show a greater variation in testicle size. The common fruit fly Drosophila melanogaster lacks cytoplasmic IFs as most insects do. By creating a fly that expresses human vimentin we establish a new research platform for vimentin studies, as well as provide a new tool for the studies of IF evolution.

Active nuclear import and cytoplasmic retention of activation-induced deaminase

The enzyme activation-induced deaminase (AID) triggers antibody diversification in B cells by catalyzing deamination and consequently mutation of immunoglobulin genes. To minimize off-target deamination, AID is restrained by several regulatory mechanisms including nuclear exclusion, thought to be mediated exclusively by active nuclear export. Here we identify two other mechanisms involved in controlling AID subcellular localization. AID is unable to passively diffuse into the nucleus, despite its small size, and its nuclear entry requires active import mediated by a conformational nuclear localization signal. We also identify in its C terminus a determinant for AID cytoplasmic retention, which hampers diffusion to the nucleus, competes with nuclear import and is crucial for maintaining the predominantly cytoplasmic localization of AID in steady-state conditions. Blocking nuclear import alters the balance between these processes in favor of cytoplasmic retention, resulting in reduced isotype class switching.

The role of the nuclear receptor Nr5a2 in ovulation in mice

Le récepteur nucléaire Nr5a2 est exprimé dans l’ovaire, plus spécifiquement dans les cellules de granulosa et lutéales. Une déplétion conditionnelle de Nr5a2 dans les cellules de granulosa au stade de follicule primaire par croisement de souris Nr5a2-flox et Amhr2-Cre (Nr5a2f/fAmhr2Cre/+) génère des problèmes au niveau de l’expansion du cumulus, de l’ovulation et de la lutéinisation. Ainsi, nous estimons que Nr5a2 régule les connexions intercellulaires dans le follicule ovarien via la connexine 43 (Cx43), une protéine de jonction impliquée dans l’expansion du cumulus. Le premier objectif de l’étude était de déterminer si l’absence d’expansion du cumulus chez les souris Amhr2Cre-cKO est liée à l’absence de communication intercellulaire adéquate entre les cellules de granulosa et de cumulus dans les follicules préovulatoires. À cette fin, des ovaires de souris immatures Amhr2Cre-cKO et non transgéniques ont été prélevés (n=3) après un traitement de superstimulation utilisant les gonadotropines eCG suivie de hCG afin d’induire l’ovulation. Nous avons ainsi démontré, par RT-PCR, une sous-expression de Cx43 avant et au moment du stimulus ovulatoire (0 h et 2 h) chez le groupe Amhr2Cre-cKO (P<0.01), ce qui pourrait mener à un problème dans l’acquisition de la compétence développementale de l’oocyte. D’un autre côté, au moment de l’ovulation (12 h), l’ARNm de Cx43 est surexprimé dans le groupe Amhr2Cre-cKO, ce qui pourrait prévenir les cellules du cumulus de se détacher l’une de l’autre. Nous avons ainsi conclu que Cx43 est un gène sous le contrôle de Nr5a2 et qu’une régulation erronée de ce gène est une cause possible du problème d’expansion du cumulus chez les souris Amhr2Cre-cKO. Afin d’examiner le rôle de Nr5a2 dans l’ovulation et la lutéinisation à différents stades de la maturation folliculaire, nous suggérons que Nr5a2 module la séquence temporelle des événements menant à l’ovulation. En croisant des souris Nr5a2-flox et Cyp19-Cre (Nr5a2f/fCyp19Cre/+), l’expression de Nr5a2 a été interrompue dans les cellules de granulosa des follicules antraux et préovulatoires. Aucune portée n’a été obtenue de ces souris (n=4) durant un essai d’accouplement de 6 mois. Chez les souris Cyp19Cre-cKO on remarque la présence de structures s’apparentant à des cellules de type lutéales et les femelles âgées d’un an présentent des kystes folliculaires hémorragiques et une hypertrophie de l’épithélium en surface de l’ovaire. Les deux modèles transgéniques démontrent donc une absence de l’expansion du cumulus et de l’ovulation. En conclusion, Nr5a2 semble réguler différemment la folliculogenèse et l’ovulation dans les cellules de granulosa des follicules primaires et antraux.

The orphan nuclear receptor NR5A2 regulates peri-ovulatory events and their consequent luteinization in mice

Le récepteur nucléaire Nr5a2, également connu sous le nom de liver receptor homolog-1 (Lrh-1), est exprimé au niveau de l’ovaire chez la souris, exclusivement dans les cellules lutéales et de la granulosa. La perturbation de Nr5a2, spécifique aux cellules de la granulosa chez la souris à partir des follicules primaires dans la trajectoire du développement folliculaire a démontré que Nr5a2 est un régulateur clé de l’ovulation et de la fertilité chez la femelle. Notre hypothèse veut que Nr5a2 régule les évènements péri- et post-ovulatoires dans une séquence temporelle lors de la folliculogénèse. Afin d'étudier l’implication de Nr5a2 lors de l’ovulation et de la lutéinisation à différents stades du développement folliculaire, nous avons généré deux modèles de souris knockout spécifiques aux cellules de la granulosa pour Nr5a2: 1) Nr5a2Amhr2-/-, avec une réduction de Nr5a2 à partir des follicules primaires et subséquents; 2) Nr5a2Cyp19-/-, avec une réduction de Nr5a2 débutant au stade antral de développement en progressant. L’absence de Nr5a2 à partir des follicules antraux a résulté en une infertilité chez les femelles Nr5a2Cyp19-/-, de même qu’en des structures non-fonctionnelles similaires aux structures lutéales au niveau des ovaires, en une réduction des niveaux de progestérone synthétisée ainsi qu’en un échec dans le support d’une pseudo-gestation. La synthèse de progestérone a été entravée suite à l’absence de Nr5a2 par l’entremise d’une régulation à la baisse des gènes reliés au transport du cholestérol, Scarb1, StAR et Ldlr, démontré par qPCR. Les complexes cumulus-oocytes des femelles Nr5a2Cyp19-/- immatures super-stimulées ont subi une expansion in vivo, mais l’ovulation a été perturbée, possiblement par une régulation à la baisse du gène du récepteur de la progestérone (Pgr). Un essai d’expansion du cumulus in vitro a démontré une expansion défectueuse du cumulus chez les Nr5a2Amhr2-/-, associée à un dérèglement de la protéine des jonctions communicantes (Gja1; Cx43). Cependant, l’expansion du cumulus chez les Nr5a2Cyp19-/- n’a pas été autant affectée. Des résultats obtenus par qPCR ont démontré une régulation à la baisse dans l’expression des gènes Areg, Ereg, Btc et Tnfaip6 chez les deux modèles de cellules ovariennes knockout à 2h et 4h post hCG. Nous avons observé que 85% des oocytes, chez les deux génotypes mutants, peuvent subir une rupture de la vésicule germinative, confirmant leur capacité de maturation in vivo. La technique d’injection intra-cytoplasmique de spermatozoïdes a prouvé que les oocytes des deux génotypes mutants sont fertilisables et que 70% des embryons résultants ont poursuivi leur développement vers le stade de blastocyste, et ce, indépendamment du génotype. En conclusion, Nr5a2 régule la fertilité chez les femelles tout au long du processus du développement folliculaire. Il a été démontré que Nr5a2 est essentiel à la lutéinisation et que sa perturbation dans les cellules somatiques ovariennes ne compromet pas la capacité des oocytes à être fertilisés. En vue d’ensemble, nous avons fourni une investigation inédite et complète, utilisant de multiples modèles et techniques afin de déterminer les mécanismes par lesquels Nr5a2 régule les importants processus que sont l’expansion du cumulus, l’ovulation ainsi que la formation du corps jaune.

The effects of administration of a nuclear factor kappa-B inhibitor on pulmonary endothelial dysfunction after cardiopulmonary bypass: impact on oxygenation and hemodynamics and development of therapeutic and preventive modalities in a porcine model

Introduction: La circulation extracorporelle (CEC) peut entraîner une dysfonction endothéliale pulmonaire et l’hypertension pulmonaire. Le SN50 agit au niveau de la signalisation cellulaire pour prévenir ces réactions à la CEC et pourrait renverser la dysfonction endothéliale pulmonaire post-CEC sans effets néfastes sur l’hémodynamie. Méthodes: Quatre groups de porcs ont reçu un parmi quatre traîtements avant de subir 90 minutes de CEC et 60 minutes de reperfusion: (1) milrinone nébulisé; (2) sildenafil nébulisé; (3) placebo nébulisé; et (4) SN-50 intraveineux. Un monitoring hémodynamique invasif a été utilisé. La réactivité vasculaire des artères pulmonaires de deuxième ordre a été évaluée face à l’acétylcholine et la bradykinine. Résultats: Le sildénafil produit une augmentation significative de la pression de l’artère pulmonaire (PAP) moyenne à 60 minutes de reperfusion par rapport au début de la chirurgie. Les relaxations dépendantes de l’endothélium face à la bradykinine étaient meilleurs dans les groupes milrinone et SN-50 et surtout dans le groupe sildénafil par rapport au groupe placébo. Le SN-50 produisait de moins bonnes relaxations dépendantes de l’endothélium face à l’acétylcholine que les autres traitements incluant placébo. Conclusion: Le sildénafil prévient mieux la dysfonction endothéliale pulmonaire que les autres traitements. Les bénéfices du SN-50 sont possiblement sous-estimés vu que la dose n’a pas pu être ajustée à la durée de CEC. Le sildenafil inhalé mérite une étude plus importante chez l’humain et le SN-50 dans un model de CEC animal.

Variational Wigner-Kirkwood approach to relativistic mean field theory

The recently developed variational Wigner-Kirkwood approach is extended to the relativistic mean field theory for finite nuclei. A numerical application to the calculation of the surface energy coefficient in semi-infinite nuclear matter is presented. The new method is contrasted with the standard density functional theory and the fully quantal approach.

Delta(1232) isobar excitations in nuclear many-body systems from varios NN interactions.

Delta isobar components in the nuclear many-body wave function are investigated for the deuteron, light nuclei (16O), and infinite nuclear matter within the framework of the coupled-cluster theory. The predictions derived for various realistic models of the baryon-baryon interaction are compared to each other. These include local (V28) and nonlocal meson exchange potentials (Bonn2000) but also a model recently derived by the Salamanca group accounting for quark degrees of freedom. The characteristic differences which are obtained for the NDelta and Delta Delta correlation functions are related to the approximation made in deriving the matrix elements for the baryon-baryon interaction.

Relativistic atomic level calculations with nuclei carrying additional fractional charges

One-electron energy levels and wavelengths have been calculated for Na-like ions whose nuclei carry quarks with additional charges ±e/3, ±2e/3. The calculations are based on relativistic self-consistent field procedures. The deviations from experimental values exhibit regularities which allow an extrapolation for the wavelengths of 3s - 3p, 3s - 4p, 3p - 3d, and 3p - 4s transitions for the nuclear charge Z = 11± 1/3, ±2/3. A number of transitions are found in the region of visible light which could be used in an optical search for quark atoms.

Effect of nuclear motion on the energy eigenvalues in muonic atoms

I have investigated the effect of the nuclear motion on the energy eigenvalues in muonic atoms. In addition to the usually used reduced-mass correction, I have calculated the relativistic influences including the magnetic and retardation interaction between the nucleus and the muon for the inner orbitals of muonic atoms.

Non-relativistic and relativistic molecular calculations for the chalcogen hexafluorides: SF_6, SeF_6, TeF_6, PoF_6

Non-relativistic Hartree-Fock-Slater and relativistic Dirac-Slater self-consistent orbital models are applied for the analysis of the electronic structure of the chalcogen hexafluorides: SF_6, SeF_6, TeF_6 and PoF_6. The molecular eigenfunctions and eigenvalues are generated using the discrete variational method (DVM) with numerical basis functions. The results obtained for SF_6 are compared with other ab initio calculations. Information about relativistic level shifts and spin-orbit splitting has been obtained by comparison between the non-relativistic and relativistic results.

Option pricing in market models driven by telegraph processes with jumps

Esta tesis está dividida en dos partes: en la primera parte se presentan y estudian los procesos telegráficos, los procesos de Poisson con compensador telegráfico y los procesos telegráficos con saltos. El estudio presentado en esta primera parte incluye el cálculo de las distribuciones de cada proceso, las medias y varianzas, así como las funciones generadoras de momentos entre otras propiedades. Utilizando estas propiedades en la segunda parte se estudian los modelos de valoración de opciones basados en procesos telegráficos con saltos. En esta parte se da una descripción de cómo calcular las medidas neutrales al riesgo, se encuentra la condición de no arbitraje en este tipo de modelos y por último se calcula el precio de las opciones Europeas de compra y venta.

Statistical evaluation of alternative models of human evolution

An appropriate model of recent human evolution is not only important to understand our own history, but it is necessary to disentangle the effects of demography and selection on genome diversity. Although most genetic data support the view that our species originated recently in Africa, it is still unclear if it completely replaced former members of the Homo genus, or if some interbreeding occurred during its range expansion. Several scenarios of modern human evolution have been proposed on the basis of molecular and paleontological data, but their likelihood has never been statistically assessed. Using DNA data from 50 nuclear loci sequenced in African, Asian and Native American samples, we show here by extensive simulations that a simple African replacement model with exponential growth has a higher probability (78%) as compared with alternative multiregional evolution or assimilation scenarios. A Bayesian analysis of the data under this best supported model points to an origin of our species approximate to 141 thousand years ago (Kya), an exit out-of-Africa approximate to 51 Kya, and a recent colonization of the Americas approximate to 10.5 Kya. We also find that the African replacement model explains not only the shallow ancestry of mtDNA or Y-chromosomes but also the occurrence of deep lineages at some autosomal loci, which has been formerly interpreted as a sign of interbreeding with Homo erectus.

Nuclear Factor-kappaB controls the reaggregation of 3D neurosphere cultures in vitro

The approach of reaggregation involves the regeneration and self-renewal of histotypical 3D spheres from isolated tissue kept in suspension culture. Reaggregated spheres can be used as tumour, genetic, biohybrid and neurosphere models. In addition the functional superiority of 3D aggregates over conventional 2D cultures developed the use of neurospheres for brain engineering of CNS diseases. Thus 3D aggregate cultures created enormous interest in mechanisms that regulate the formation of multicellular aggregates in vitro. Here we analyzed mechanisms guiding the development of 3D neurosphere cultures. Adult neural stem cells can be cultured as self-adherent clusters, called neurospheres. Neurospheres are characterised as heterogeneous clusters containing unequal stem cell sub-types. Tumour necrosis factor-alpha (TNF-alpha is one of the crucial inflammatory cytokines with multiple actions on several cell types. TNF-alpha strongly activates the canonical Nuclear Factor Kappa-B (NF- kappaB) pathway. In order to investigate further functions of TNF in neural stem cells (NSCs) we tested the hypothesis that TNF is able to modulate the motility and/or migratory behaviour of SVZ derived adult neural stem cells. We observed a significantly faster sphere formation in TNF treated cultures than in untreated controls. The very fast aggregation of isolated NSCs (<2h) is a commonly observed phenomenon, though the mechanisms of 3D neurosphere formation remain largely unclear. Here we demonstrate for the first time, increased aggregation and enhanced motility of isolated NSCs in response to the TNF-stimulus. Moreover, this phenomenon is largely dependent on activated transcription factor NF-kappaB. Both, the pharmacological blockade of NF-kappaB pathway by pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC) or Bay11-7082 and genetic blockade by expression of a transdominant-negative super-repressor IkappaB-AA1 led to decreased aggregation.

Nuclear and extended spectra of NGC 1068-I. Hints from near-infrared spectroscopy

We report the first simultaneous zJHK spectroscopy on the archetypical Seyfert 2 galaxy NGC 1068 covering the wavelength region 0.9-2.4 mu m. The slit, aligned in the north-south direction and centred in the optical nucleus, maps a region 300 pc in radius at subarcsec resolution, with a spectral resolving power of 360 km s-1. This configuration allows us to study the physical properties of the nuclear gas including that of the north side of the ionization cone, map the strong excess of continuum emission in the K band and attributed to dust and study the variations, both in flux and profile, in the emission lines. Our results show the following. (1) Mid- to low-ionization emission lines are split into two components, whose relative strengths vary with the position along the slit and seem to be correlated with the jet. (2) The coronal lines are single-peaked and are detected only in the central few hundred of pc from the nucleus. (3) The absorption lines indicate the presence of intermediate age stellar population, which might be a significant contributor to the continuum in the near-IR spectra. (4) Through some simple photoionization models we find photoionization as the main mechanism powering the emitting gas. (5) Calculations using stellar features point to a mass concentration inside the 100-200 pc of about 1010 M(circle dot).