The role of GAPDH in maintaining the functional state of the DNA repair enzyme APE1

Les sites apuriniques/apyrimidiniques (AP) sont des sites de l’ADN hautement mutagène. Les dommages au niveau de ces sites peuvent survenir spontanément ou être induits par une variété d’agents. Chez l’humain, les sites AP sont réparés principalement par APE1, une enzyme de réparation de l’ADN qui fait partie de la voie de réparation par excision de base (BER). APE1 est une enzyme multifonctionnelle; c’est une AP endonucléase, 3’-diestérase et un facteur redox impliqué dans l’activation des facteurs de transcription. Récemment, il a été démontré qu’APE1 interagit avec l’enzyme glycolytique GAPDH. Cette interaction induit l’activation d’APE1 par réduction. En outre, la délétion du gène GAPDH sensibilise les cellules aux agents endommageant l’ADN, induit une augmentation de formation spontanée des sites AP et réduit la prolifération cellulaire. A partir de toutes ces données, il était donc intéressant d’étudier l’effet de la délétion de GAPDH sur la progression du cycle cellulaire, sur la distribution cellulaire d’APE1 et d’identifier la cystéine(s) d’APE1 cible(s) de la réduction par GAPDH. Nos travaux de recherche ont montré que la déficience en GAPDH cause un arrêt du cycle cellulaire en phase G1. Cet arrêt est probablement dû à l’accumulation des dommages engendrant un retard au cours duquel la cellule pourra réparer son ADN. De plus, nous avons observé des foci nucléaires dans les cellules déficientes en GAPDH qui peuvent représenter des agrégats d’APE1 sous sa forme oxydée ou bien des focis de la protéine inactive au niveau des lésions d’ADN. Nous avons utilisé la mutagénèse dirigée pour créer des mutants (Cys en Ala) des sept cystéines d’APE1 qui ont été cloné dans un vecteur d’expression dans les cellules de mammifères. Nous émettons l’hypothèse qu’au moins un mutant ou plus va être résistant à l’inactivation par oxydation puisque l’alanine ne peut pas s’engager dans la formation des ponts disulfures. Par conséquent, on anticipe que l’expression de ce mutant dans les cellules déficientes en GAPDH pourrait restaurer une distribution cellulaire normale de APE1, libérerait les cellules de l’arrêt en phase G1 et diminuerait la sensibilité aux agents endommageant l’ADN. En conclusion, il semble que GAPDH, en préservant l’activité d’APE1, joue un nouveau rôle pour maintenir l’intégrité génomique des cellules aussi bien dans les conditions normales qu’en réponse au stress oxydatif.

Quantitative functional MRI of the Cerebrovascular Reactivity to CO2

Le dioxyde de carbone (CO2) est un résidu naturel du métabolisme cellulaire, la troisième substance la plus abondante du sang, et un important agent vasoactif. À la moindre variation de la teneur en CO2 du sang, la résistance du système vasculaire cérébral et la perfusion tissulaire cérébrale subissent des changements globaux. Bien que les mécanismes exacts qui sous-tendent cet effet restent à être élucidés, le phénomène a été largement exploité dans les études de réactivité vasculaire cérébrale (RVC). Une voie prometteuse pour l’évaluation de la fonction vasculaire cérébrale est la cartographie de la RVC de manière non-invasive grâce à l’utilisation de l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Des mesures quantitatives et non-invasives de de la RVC peuvent être obtenus avec l’utilisation de différentes techniques telles que la manipu- lation du contenu artériel en CO2 (PaCO2) combinée à la technique de marquage de spin artériel (Arterial Spin Labeling, ASL), qui permet de mesurer les changements de la perfusion cérébrale provoqués par les stimuli vasculaires. Toutefois, les préoccupations liées à la sensibilité et la fiabilité des mesures de la RVC limitent de nos jours l’adoption plus large de ces méthodes modernes de IRMf. J’ai considéré qu’une analyse approfondie ainsi que l’amélioration des méthodes disponibles pourraient apporter une contribution précieuse dans le domaine du génie biomédical, de même qu’aider à faire progresser le développement de nouveaux outils d’imagerie de diagnostique. Dans cette thèse je présente une série d’études où j’examine l’impact des méthodes alternatives de stimulation/imagerie vasculaire sur les mesures de la RVC et les moyens d’améliorer la sensibilité et la fiabilité de telles méthodes. J’ai aussi inclus dans cette thèse un manuscrit théorique où j’examine la possible contribution d’un facteur méconnu dans le phénomène de la RVC : les variations de la pression osmotique du sang induites par les produits de la dissolution du CO2. Outre l’introduction générale (Chapitre 1) et les conclusions (Chapitre 6), cette thèse comporte 4 autres chapitres, au long des quels cinq différentes études sont présentées sous forme d’articles scientifiques qui ont été acceptés à des fins de publication dans différentes revues scientifiques. Chaque chapitre débute par sa propre introduction, qui consiste en une description plus détaillée du contexte motivant le(s) manuscrit(s) associé(s) et un bref résumé des résultats transmis. Un compte rendu détaillé des méthodes et des résultats peut être trouvé dans le(s) dit(s) manuscrit(s). Dans l’étude qui compose le Chapitre 2, je compare la sensibilité des deux techniques ASL de pointe et je démontre que la dernière implémentation de l’ASL continue, la pCASL, offre des mesures plus robustes de la RVC en comparaison à d’autres méthodes pulsés plus âgées. Dans le Chapitre 3, je compare les mesures de la RVC obtenues par pCASL avec l’utilisation de quatre méthodes respiratoires différentes pour manipuler le CO2 artérielle (PaCO2) et je démontre que les résultats peuvent varier de manière significative lorsque les manipulations ne sont pas conçues pour fonctionner dans l’intervalle linéaire de la courbe dose-réponse du CO2. Le Chapitre 4 comprend deux études complémentaires visant à déterminer le niveau de reproductibilité qui peut être obtenu en utilisant des méthodes plus récentes pour la mesure de la RVC. La première étude a abouti à la mise au point technique d’un appareil qui permet des manipulations respiratoires du CO2 de manière simple, sécuritaire et robuste. La méthode respiratoire améliorée a été utilisée dans la seconde étude – de neuro-imagerie – où la sensibilité et la reproductibilité de la RVC, mesurée par pCASL, ont été examinées. La technique d’imagerie pCASL a pu détecter des réponses de perfusion induites par la variation du CO2 dans environ 90% du cortex cérébral humain et la reproductibilité de ces mesures était comparable à celle d’autres mesures hémodynamiques déjà adoptées dans la pratique clinique. Enfin, dans le Chapitre 5, je présente un modèle mathématique qui décrit la RVC en termes de changements du PaCO2 liés à l’osmolarité du sang. Les réponses prédites par ce modèle correspondent étroitement aux changements hémodynamiques mesurés avec pCASL ; suggérant une contribution supplémentaire à la réactivité du système vasculaire cérébral en lien avec le CO2.

Biochemical and functional characterization of the tumor suppressors BRCA1 and BAP1

L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle qui joue un rôle majeur dans la régulation d’une multitude de processus cellulaires. Dans cette thèse, je discuterai de la caractérisation de deux protéines, BRCA1 et BAP1, soit deux suppresseurs de tumeurs fonctionnellement reliés. BRCA1, une ubiquitine ligase qui catalyse la liaison de l’ubiquitine à une protéine cible, est mutée dans les cancers du sein et de l'ovaire. Il est bien établi que cette protéine aide à maintenir la stabilité génomique suite à un bris double brin de l’ADN (BDB), et ce, à l’aide d’un mécanisme de réparation bien caractérisé appelé recombinaison homologue. Cependant, les mécanismes de régulation de BRCA1 suite à des stresses génotoxiques n’impliquant pas directement un BDB ne sont pas pleinement élucidés. Nous avons démontré que BRCA1 est régulée par dégradation protéasomale suite à une exposition des cellules à deux agents génotoxiques reconnus pour ne pas directement générer des BDBs, soit les rayons UV, qui provoquent la distorsion de l’hélice d’ADN, et le méthyle méthanesulfonate (MMS), qui entraîne l’alkylation de l’ADN. La dégradation de BRCA1 est réversible et indépendante des kinases associées à la voie des PI3 kinase, soit ATM, ATR et DNA-PK, protéines qui sont rapidement activées par les dommages à l’ADN. Nous proposons que la dégradation de BRCA1 prévienne son recrutement intempestif, ainsi que celui des facteurs qui lui sont associés, à des sites de dommages d’ADN qui ne sont pas des BDBs, et que cette régulation coordonne la réparation de l’ADN. L’enzyme de déubiquitination BAP1 a initialement été identifiée comme une protéine capable d’interagir avec BRCA1 et de réguler sa fonction. Elle est également connue pour sa capacité à se lier avec les protéines du groupe Polycomb, ASXL1 et ASXL2. Cependant, l’importance de ces interactions n’a toujours pas été établie. Nous avons démontré que BAP1 forme deux complexes protéiques mutuellement exclusifs avec ASXL1 et ASXL2. Ces interactions sont critiques pour la liaison de BAP1 à l’ubiquitine ainsi que pour la stimulation de son activité enzymatique envers l’histone H2A. Nous avons également identifié des mutations de BAP1 dérivées de cancers qui empêchent à la fois son interaction avec ASXL1 et AXSL2, et son activité de déubiquitinase, ce qui fournit un lien mécanistique direct entre la déubiquitination de H2A et la tumorigenèse. Élucider les mécanismes de régulation de BRCA1 et BAP1 menera à une meilleure compréhension de leurs rôles de suppresseurs de tumeurs, permettant ainsi d’établir de nouvelles stratégies de diagnostic et traitement du cancer.

GABA, serotonin, muscarinic receptors - their second messengers and transcription factors functional regulation in the brain regions of hypoxic neonatal rats: Resuscitation with glucose, oxygen and epinephrine

The present study was designed to investigate the protective effect of glucose, oxygen and epinephrine resuscitation on impairment in the functional role of GABAergic, serotonergic, muscarinic receptors, PLC, BAX, SOD, CAT and GPx expression in the brain regions of hypoxia induced neonatal rats. Also, the role of hormones - Triiodothyronine (T3) and insulin, second messengers – cAMP, cGMP and IP3 and transcription factors – HIF and CREB in the regulation of neonatal hypoxia and its resuscitation methods were studied. Behavioural studies were conducted to evaluate the motor function and cognitive deficit in one month old control and experimental rats. The efficient and timely supplementation of glucose plays a crucial role in correcting the molecular changes due to hypoxia, oxygen and epinephrine. The sequence of glucose, epinephrine and oxygen administration at the molecular level is an important aspect of the study. The additive neuronal damage effect due to oxygen and epinephrine treatment is another important observation. The corrective measures by initial supply of glucose to hypoxic neonatal rats showed from the molecular study when brought to practice will lead to healthy intellectual capacity during the later developmental stages, which has immense clinical significance in neonatal care.

Adrenergic and Glutamergic Receptor Gene Expression and Their Functional regulation in the Cerebral Cortex of Hypoxia Induced Neonatal Rats:Role of Oxygen,Epinephrine and Glucose Supplementation

In the present work, the role of oxygen, epinephrine and glucose supplementation in regulating neurotransmitter contents, adrenergic and glutamate receptor binding parameters in the cerebral cortex of experimental groups of neonatal rats were investigated. The study of neurotransmitters and their receptors in the cerebral cortex and the EEG pattern in the brain regions of neonatal rats were taken as index for brain damage due to hypoxia, oxygen and epinephrine. Real-Time PCR work was done to confirm the binding parameters. Second messenger, cyclic Adenosine Monophosphate (cAMP) was assayed to find the functional correlation of the receptors. Behavioural studies were carried out to confirm the biochemical and molecular studies. The efficient and timely supplementation of glucose plays a crucial role in correcting the molecular changes due to hypoxia, oxygen and epinephrine. The addictive neuronal damage effect due to oxygen and epinephrine treatment is another important observation. The corrective measures from the molecular study brought to practice will lead to maintain healthy intellectual capacity during the later developmental stages, which has immense clinical significance in neonatal care.

Functional genomics of the Drosophila melanogaster X chromosome and the role of DWnt5 during development

The collection of X chromosome insertions (PX) lethal lines, which was isolated from a screen for essential genes on the X chromosome, was characterized by means of cloning the insertion sites, mapping the sites within genomic DNA and determination of the associated reporter gene expresssion patterns. The established STS flanking the P element insertion sites were submitted to EMBL nucleotide databases and their in situ data together with the enhancer trap expression patterns have been deposited in the FlyView database. The characterized lines are now available to be used by the scientific community for a detailed analysis of the newly established lethal gene functions. One of the isolated genes on the X chromosome was the Drosophila gene Wnt5 (DWnt5). From two independent screens, one lethal and three homozygous viable alleles were recovered, allowing the identification of two distinct functions for DWnt5 in the fly. Observations on the developing nervous system of mutant embryos suggest that DWnt5 activity affects axon projection pattern. Elevated levels of DWNT5 activity in the midline cells of the central nervous system causes improper establishment and maintenance of the axonal pathways. Our analysis of the expression and mutant phenotype indicates that DWnt5 function in a process needed for proper organization of the nervous system. A second and novel function of DWnt5 is the control of the body size by regulation of the cell number rather than affecting the size of cells. Moreover, experimentally increased DWnt5 levels in a post-mitotic region of the eye imaginal disc causes abnormal cell cycle progression, resulting in additional ommatidia in the adult eye when compared to wild type. The increased cell number and the effects on the cell cycle after exposure to high DWNT5 levels is the result of a failure to downregulate cyclin B and therefore the unsuccessful establishment of a G1 arrest.

Functional studies of the deubiquitinating enzymes USP19, USP4 and UCH-L1

El marcaje de proteínas con ubiquitina, conocido como ubiquitinación, cumple diferentes funciones que incluyen la regulación de varios procesos celulares, tales como: la degradación de proteínas por medio del proteosoma, la reparación del ADN, la señalización mediada por receptores de membrana, y la endocitosis, entre otras (1). Las moléculas de ubiquitina pueden ser removidas de sus sustratos gracias a la acción de un gran grupo de proteasas, llamadas enzimas deubiquitinizantes (DUBs) (2). Las DUBs son esenciales para la manutención de la homeostasis de la ubiquitina y para la regulación del estado de ubiquitinación de diferentes sustratos. El gran número y la diversidad de DUBs descritas refleja tanto su especificidad como su utilización para regular un amplio espectro de sustratos y vías celulares. Aunque muchas DUBs han sido estudiadas a profundidad, actualmente se desconocen los sustratos y las funciones biológicas de la mayoría de ellas. En este trabajo se investigaron las funciones de las DUBs: USP19, USP4 y UCH-L1. Utilizando varias técnicas de biología molecular y celular se encontró que: i) USP19 es regulada por las ubiquitin ligasas SIAH1 y SIAH2 ii) USP19 es importante para regular HIF-1α, un factor de transcripción clave en la respuesta celular a hipoxia, iii) USP4 interactúa con el proteosoma, iv) La quimera mCherry-UCH-L1 reproduce parcialmente los fenotipos que nuestro grupo ha descrito previamente al usar otros constructos de la misma enzima, y v) UCH-L1 promueve la internalización de la bacteria Yersinia pseudotuberculosis.

Evolution of functional diversity in the cupin superfamily

The cupin superfamily of proteins is among the most functionally diverse of any described to date. It was named on the basis of the conserved beta-barrel fold ('cupa' is the Latin term for a small barrel), and comprises both enzymatic and non-enzymatic members, which have either one or two cupin domains. Within the conserved tertiary structure, the variety of biochemical function is provided by minor variation of the residues in the active site and the identity of the bound metal ion. This review discusses the advantages of this particular scaffold and provides an evolutionary analysis of 18 different subclasses within the cupin superfamily.

Functional significance of the signal transduction pathways Akt and Erk in ovarian follicles: in vitro and in vivo studies in cattle and sheep

BACKGROUND: The intracellular signalling mechanisms that regulate ovarian follicle development are unclear; however, we have recently shown differences in the Akt and Erk signalling pathways in dominant compared to subordinate follicles. The aim of this study was to investigate the effects of inhibiting Akt and Erk phosphorylation on IGF- and gonadotropin- stimulated granulosa and theca cell function in vitro, and on follicle development in vivo. METHODS: Bovine granulosa and theca cells were cultured for six days and stimulated with FSH and/or IGF, or LH in combination with PD98059 (Erk inhibitor) and/or LY294002 (Akt inhibitor) and their effect on cell number and hormone secretion (estradiol, activin-A, inhibin-A, follistatin, progesterone and androstenedione) determined. In addition, ovarian follicles were treated in vivo with PD98059 and/or LY294002 in ewes on Day 3 of the cycle and follicles were recovered 48 hours later. RESULTS: We have shown that gonadotropin- and IGF-stimulated hormone production by granulosa and theca cells is reduced by treatment with PD98059 and LY294002 in vitro. Furthermore, treatment with PD98059 and LY294002 reduced follicle growth and oestradiol production in vivo. CONCLUSION: These results demonstrate an important functional role for the Akt and Erk signalling pathways in follicle function, growth and development.

Functional coupling of the human dopamine D-2 receptor with G alpha(i1), G alpha(i2), G alpha(i3) and G alpha(o) G proteins: evidence for agonist regulation of G protein selectivity

1 The human dopamine D-2long (D-2L) receptor was expressed with four different G proteins in Sf9 cells using the baculovirus expression system. When co-expressed with G(i)/G(o) G proteins (G(i1)alpha, G(i2)alpha, G(i3)alpha, or G(o)alpha, plus Gbeta(1) and Ggamma(2)) the receptor displayed a high-affinity binding site for the agonists (dopamine and NPA), which was sensitive to GTP (100 mum), demonstrating interaction between the receptor and the different G proteins. 2 The receptor to G protein ratio (R: G ratio) was evaluated using [H-3]-spiperone saturation binding (R) and [S-35]-GTPgammaS saturation binding (G). R: G ratios of 1: 12, 1: 3, 1: 14 and 1: 5 were found for G(i1), G(i2), G(i3), and Go preparations, respectively. However, when R:G ratios of 1:2 and 1: 12 were compared for G(i2) and G(o), no difference was found for the stimulation of [S-35]-GTPgammaS binding. 3 Several agonists were tested for their ability to stimulate [S-35]-GTPgammaS binding to membranes co-expressing the receptor and various G proteins. All the compounds tested showed agonist activity in preparations expressing G(i3) and G(o). However, for G(i2) and G(i1) preparations, compounds such as S-(-)-3-PPP and p-tyramine were unable to stimulate [S-35]-GTPyS binding. 4 Most of the compounds showed higher relative efficacies (compared to dopamine) and higher potencies in the preparation expressing G(o). Comparison of the effects of different agonists in the different preparations showed that each agonist differentially activates the four G proteins. 5 We conclude that the degree of selectivity of G protein activation by the D-2L receptor can depend on the conformation of the receptor stabilised by an agonist.

The functional neuroanatomy of the evolving parent–infant relationship

Infant survival and the development of secure and cooperative relationships are central to the future of the species. In humans, this relies heavily on the evolving early parent–infant social and affective relationship. While much is known about the behavioural and psychological components of this relationship, relatively little is known about the underlying functional neuroanatomy. Affective and social neuroscience has helped to describe the main adult brain networks involved, but has so far engaged very little with developmental findings. In this review, we seek to highlight future avenues for research by providing a coherent framework for describing the parent–infant relationship over the first 18 months. We provide an outline of the evolving nature of the relationship, starting with basic orienting and recognition processes, and culminating in the infant's attainment of higher socio-emotional and cognitive capacities. Key social and affective interactions, such as communication, cooperative play and the establishment of specific attachments propel the development of the parent–infant relationship. We summarise our current knowledge of the developing infant brain in terms of structure and function, and how these relate to the emergent abilities necessary for the formation of a secure and cooperative relationship with parents or other caregivers. Important roles have been found for brain regions including the orbitofrontal, cingulate, and insular cortices in parent–infant interactions, but it has become clear that much more information is needed about the developmental time course and connectivity of these regions.

Proteogenomics and in silico structural and functional annotation of the barley powdery mildew Blumeria graminis f. sp. hordei

Blumeria graminis is an economically important obligate plant-pathogenic fungus, whose entire genome was recently sequenced and manually annotated using ab initio in silico predictions [7]. Employing large scale proteogenomic analysis we are now able to verify independently the existence of proteins predicted by 24% of open reading frame models. We compared the haustoria and sporulating hyphae proteomes and identified 71 proteins exclusively in haustoria, the feeding and effector-delivery organs of the pathogen. These proteins are ‘significantly smaller than the rest of the protein pool and predicted to be secreted. Most do not share any similarities with Swiss–Prot or Trembl entries nor possess any identifiable Pfam domains. We used a novel automated prediction pipeline to model the 3D structures of the proteins, identify putative ligand binding sites and predict regions of intrinsic disorder. This revealed that the protein set found exclusively in haustoria is significantly less disordered than the rest of the identified Blumeria proteins or random (and representative) protein sets generated from the yeast proteome. For most of the haustorial proteins with unknown functions no good templates could be found, from which to generate high quality models. Thus, these unknown proteins present potentially new protein folds that can be specific to the interaction of the pathogen with its host.

The functional neuroanatomy of the evolving parent-infant relationship

Infant survival and the development of secure and cooperative relationships are central to the future of the species. In humans, this relies heavily on the evolving early parent–infant social and affective relationship. While much is known about the behavioural and psychological components of this relationship, relatively little is known about the underlying functional neuroanatomy. Affective and social neuroscience has helped to describe the main adult brain networks involved, but has so far engaged very little with developmental findings. In this review, we seek to highlight future avenues for research by providing a coherent framework for describing the parent–infant relationship over the first 18 months. We provide an outline of the evolving nature of the relationship, starting with basic orienting and recognition processes, and culminating in the infant's attainment of higher socio-emotional and cognitive capacities. Key social and affective interactions, such as communication, cooperative play and the establishment of specific attachments propel the development of the parent–infant relationship. We summarise our current knowledge of the developing infant brain in terms of structure and function, and how these relate to the emergent abilities necessary for the formation of a secure and cooperative relationship with parents or other caregivers. Important roles have been found for brain regions including the orbitofrontal, cingulate, and insular cortices in parent–infant interactions, but it has become clear that much more information is needed about the developmental time course and connectivity of these regions.