Interaction de Tau avec la petite GTPase Rab5

La protéine Tau joue un rôle essentiel dans les neurones, notamment par ses interactions avec les éléments du cytosquelette. Des études récentes ont également montré que Tau était impliquée dans la motilité des organelles le long des microtubules axonaux. Dans ce mémoire de Maîtrise, nous avons démontré par recouvrement sur gel une nouvelle interaction in vitro pour Tau avec la petite GTPase Rab5, qui est impliquée dans l’endocytose précoce. De plus, nous avons montré que Tau et Rab5 immuno-précipitaient sur une même population de vésicules in vivo. La sur-expression de Tau dans des neurones primaires de l’hippocampe nous a permis de montrer que Tau et Rab5 avaient une distribution similaire dans l’axone des neurones, suggérant un rôle de Tau dans l’ancrage des endosomes précoces sur les microtubules. Par contre, à la différence de ce qui a pu être observé dans certaines études, la sur-expression de Tau n’a pas inhibé le transport axonal des endosomes précoces. Enfin, nous avons montré que Tau interagissait préférentiellement avec la Rab5 active liée au GTP et des résultats préliminaires nous laissent penser que Tau serait un effecteur ou une GAP pour Rab5. Dans les tauopathies, la Tau devient hyperphosphorylée, décroche des microtubules axonaux et forme des agrégats dans le corps cellulaire du neurone. Ces modifications biochimiques et de localisation de la protéine Tau pourraient être la source d’une perte d’interaction de la Tau avec Rab5 et être responsable de certaines atteintes neurologiques observées dans les tauopathies.

Sterol-binding proteins in late endosomes : Regulation of endosome motility and lipid metabolism

Despite its bad reputation in the mass media, cholesterol is an indispensable constituent of cellular membranes and vertebrate life. It is, however, also potentially lethal as it may accumulate in the arterial intima causing atherosclerosis or elsewhere in the body due to inherited conditions. Studying cholesterol in cells, and research on how the cell biology of cholesterol affects on system level is essential for a better understanding of the disease states associated with cholesterol and for the development of new therapies for these conditions. On its way to the cell, exogenous cholesterol traverses through endosomes, transport vesicles involved in internalizing material to cells, and needs to be transported out of this compartment. This endosomal pool of cholesterol is important for understanding both the common disorders of metabolism and the more rare hereditary disorders of cholesterol metabolism. The study of cholesterol in cells has been hampered by the lack of bright fluorescent sterol analogs that would resemble cholesterol enough to be used in cellular studies. In the first study of my thesis, we present a new sterol analog, Boron-Dipyrromethene (BODIPY)-cholesterol for visualizing sterols in living cells and organism. This fluorescent cholesterol derivative is shown to behave similarly to cholesterol both by atomic scale computer simulations and biochemical experiments. We characterize its localization inside different types of living cells and show that it can be used to study sterol trafficking in living organisms. Two sterol binding proteins associated with the endosomal membrane; the Niemann-Pick type C disease protein 1 (NPC1) and the Oxysterol Binding Protein Related Protein 1 (ORP1) are the subjects of the rest of this study. Sensing cholesterol on endosomes, transporting lipids away from this compartment and the effects these lipids play on cellular metabolism are considered. In the second study we characterize how the NPC1 protein affects lipid metabolism. We show that this cholesterol binding protein affects synthesis of triglycerides and that genetic polymorphisms or a genetic defect in the NPC1 gene affect triglyceride on the whole body level. These effects take place via regulation of carbon fluxes to different lipid classes in cells. In the third part we characterize the effects of another endosomal sterol binding protein, ORP1L on the function and motility of endosomes. Specifically we elucidate how a mutation in the ability of ORP1L to bind sterols affects its behavior in cells, and how a change in ORP1L levels in cells affects the localization, degradative capacity and motility of endosomes. In addition we show that ORP1L manipulations affect cholesterol balance also in macrophages, a cell type important for the development of atherosclerosis.

STX13 regulates cargo delivery from recycling endosomes during melanosome biogenesis

Melanosomes are a class of lysosome-related organelles produced by melanocytes. Biogenesis of melanosomes requires the transport of melanin-synthesizing enzymes from tubular recycling endosomes to maturing melanosomes. The SNARE proteins involved in these transport or fusion steps have been poorly studied. We found that depletion of syntaxin 13 (STX13, also known as STX12), a recycling endosomal Qa-SNARE, inhibits pigment granule maturation in melanocytes by rerouting the melanosomal proteins such as TYR and TYRP1 to lysosomes. Furthermore, live-cell imaging and electron microscopy studies showed that STX13 co-distributed with melanosomal cargo in the tubular-vesicular endosomes that are closely associated with the maturing melanosomes. STX family proteins contain an N-terminal regulatory domain, and deletion of this domain in STX13 increases both the SNARE activity in vivo and melanosome cargo transport and pigmentation, suggesting that STX13 acts as a fusion SNARE in melanosomal trafficking pathways. In addition, STX13-dependent cargo transport requires the melanosomal R-SNARE VAMP7, and its silencing blocks the melanosome maturation, reflecting a defect in endosome-melanosome fusion. Moreover, we show mutual dependency between STX13 and VAMP7 in regulating their localization for efficient cargo delivery to melanosomes.

Rab9A is required for delivery of cargo from recycling endosomes to melanosomes

Melanosomes are a type of lysosome-related organelle that is commonly defective in Hermansky-Pudlak syndrome. Biogenesis of melanosomes is regulated by BLOC-1, -2, -3, or AP-1, -3 complexes, which mediate cargo transport from recycling endosomes to melanosomes. Although several Rab GTPases have been shown to regulate these trafficking steps, the precise role of Rab9A remains unknown. Here, we found that a cohort of Rab9A associates with the melanosomes and its knockdown in melanocytes results in hypopigmented melanosomes due to mistargeting of melanosomal proteins to lysosomes. In addition, the Rab9A-depletion phenotype resembles Rab38/ 32-inactivated or BLOC-3-deficient melanocytes, suggesting that Rab9A works in line with BLOC-3 and Rab38/ 32 during melanosome cargo transport. Furthermore, silencing of Rab9A, Rab38/ 32 or its effector VARP, or BLOC-3-deficiency in melanocytes decreased the length of STX13-positive recycling endosomal tubules and targeted the SNARE to lysosomes. This result indicates a defect in directing recycling endosomal tubules to melanosomes. Thus, Rab9A and its co-regulatory GTPases control STX13-mediated cargo delivery to maturing melanosomes.

Involvement of the endosomal autoantigen EEA1 in homotypic fusion of early endosomes

In mammalian cells, fusion between early endocytic vesicles has been shown to require the ubiquitous intracellular fusion factors N-ethylmaleimide-sensitive factor (NSF) and alpha-SNAP, as well as a factor specific for early endosomes, the small GTPase Rab5 [1-3]. We have previously demonstrated an additional requirement for phosphatidylinositol 3-kinase (PI 3-kinase) activity [4]. The membrane association of early endosomal antigen 1 (EEA1), a specific marker of early endosomes [5,6], has recently been shown to be similarly dependent on PI 3-kinase activity [7], and we therefore postulated that it might be involved in endosome fusion. Here, we present evidence that EEA1 has an important role in determining the efficiency of endosome fusion in vitro. Both the carboxy-terminal domain of EEA1 (residues 1098-1411) and specific antibodies against EEA1 inhibited endosome fusion when included in an in vitro assay. Furthermore, depletion of EEA1, both from the membrane fraction used in the assay by washing with salt and from the cytosol using an EEA1-specific antibody, resulted in inhibition of endosome fusion. The involvement of EEA1 in endosome fusion accounts for the sensitivity of the endosome fusion assay to inhibitors of PI 3-kinase.

Marqueurs précoces des problèmes sensoriels chez le jeune enfant présentant des problèmes d'alimentation

Description. Les troubles d’alimentation touchent de 33 à 80 % des enfants ayant un trouble du développement. L’évaluation clinique constitue une étape essentielle dans l’identification de la problématique. Alors qu’il existe des outils valides permettant d’évaluer la sphère oro-motrice, l’évaluation des problèmes d’origine sensorielle reste très limitée entraînant une négligence importante de cette dimension dans la prise en charge des problèmes d’alimentation. But. La présente étude avait pour but de développer une version préliminaire d’un instrument de mesure permettant l’identification précoce des problèmes d’alimentation d’ordre sensoriel chez la population pédiatrique. Méthodologie. Les premières étapes énoncées par Kielhofner et collègues permettant l’élaboration d’un nouvel outil d’évaluation ont été suivies. Résultats. Une version préliminaire de cet outil est proposée comprenant un questionnaire et un test. Le Questionnaire de la sphère sensorielle de l’alimentation (QSSA), constitué de 58 items, permet de documenter les capacités de l’enfant à traiter l’information sensorielle en lien avec l’alimentation et le Test de la sphère sensorielle de l’alimentation (TSSA) permet d’évaluer directement la tolérance de l’enfant à l’exploration buccale de matériel non comestible et comestible. Conséquences. La conception du questionnaire et du test de la sphère sensorielle de l’alimentation constituent les premières étapes du développement d’un outil d’évaluation visant spécifiquement la sphère sensorielle et les habitudes alimentaires chez le jeune enfant (6-36 mois).

La nutrition des personnes âgées en stades précoces de la démence du type Alzheimer (DTA) : exploration du rôle du proche aidant et des répercussions sur sa santé

Contexte : La détérioration de l’état nutritionnel liée à la perte d’autonomie qui accompagne l’évolution de la démence du type Alzheimer (DTA) peut être limitée par un proche aidant efficace. À long terme, le rôle soignant du proche aidant peut affecter sa propre santé physique et psychologique. Objectifs : (1) décrire les caractéristiques sociodémographiques des patients et de leurs proches aidants; (2) examiner l’évolution de la maladie et des variables à l’étude au cours de la période de suivi; (3) explorer la relation possible entre le fardeau perçu du proche aidant, l’état nutritionnel des patients et la stabilité du poids corporel du proche aidant. Hypothèses : L’absence du fardeau chez l’aidant est associée à un meilleur état nutritionnel chez le patient; la détérioration de la fonction cognitive chez le patient s’accompagne d’une augmentation du fardeau perçu par l’aidant; la dégradation du fardeau chez l’aidant conduit à sa perte de poids. Méthode : Les données analysées proviennent de l’étude « Nutrition-mémoire » menée entre 2003 et 2006 dans les trois cliniques de cognition situées dans des hôpitaux universitaires à Montréal. Quarante-deux patients avec une DTA probable vivant dans la communauté et leurs aidants ont été suivis en dyades pendant une période de dix-huit mois. Les analyses ont porté sur les données colligées du recrutement à douze mois plus tard en raison du nombre restreint des patients interviewés à la dernière mesure. La relation entre le fardeau de l’aidant et les variables caractérisant l’état nutritionnel chez les patients a été évaluée à l’aide des analyses de corrélations, du test khi-carré ou du test de Fisher. L’état cognitif des patients était évalué à l’aide du score au Mini-Mental State Examination, le fardeau de l’aidant était estimé par le score au « Zarit Burden Interview », l’état nutritionnel des patients était défini par la suffisance en énergie et en protéines, le score à l’outil de dépistage nutritionnel des aînés, le poids et l’indice de masse corporelle des patients. Résultats : Le fardeau perçu des aidants était associé à la suffisance en énergie chez les patients. Le nombre de patients ayant des apports insuffisants en énergie était plus important chez les dyades où les aidants percevaient un fardeau plus élevé. Toutefois, aucune association n’a été observée entre le fardeau des aidants et le risque nutritionnel ou la suffisance en protéines chez les patients. La détérioration de la fonction cognitive des patients ne semble pas avoir provoqué une augmentation du fardeau chez leurs aidants. De plus, l’augmentation du fardeau de l’aidant n’était pas accompagnée d’une perte de son poids corporel. Par ailleurs, un fardeau plus important a été observé chez les aidants des patients obèses ou présentant un embonpoint. Conclusion : La réduction du fardeau perçu des aidants permettrait d’améliorer les apports alimentaires des patients et ainsi de limiter ou minimiser le risque de détérioration de leur état nutritionnel et de perte de poids.

Évaluation de la cytogénotoxicité humaine induite par l’exposition à de faibles doses de benzo-a-pyrène, à l’aide de biomarqueurs précoces

Le benzo-a-pyrène (BaP) est un hydrocarbure aromatique polycyclique (HAP) cancérogène pour l’homme, qui contamine toutes les sphères de notre environnement. Son métabolite, le BaP-7,8-diol-9,10-époxyde (BPDE) est considéré comme son cancérogène ultime. Le BPDE se lie à l’ADN, formant des adduits qui doivent être réparés et qui seraient responsables des dommages à l’ADN et de la cancérogenèse induite par le BaP. Les adduits BPDE-ADN et les dommages à l’ADN (bris simple-brin [BSB] à l’ADN, aberrations chromosomiques [AC], échanges entre chromatides-sœurs [ÉCS] et micronoyaux [MN]) ont été mesurés dans les lymphocytes humains exposés à de faibles concentrations de BaP, provenant de jeunes volontaires non-fumeurs et en santé. Suite à l’exposition au BaP, le niveau d’adduits BPDE-ADN et la fréquence des AC et des MN augmentent significativement, puis diminuent aux concentrations les plus élevées de BaP testées, suggérant une induction du métabolisme de phase II du BaP. Lors de la mesure des ÉCS, nous obtenons une courbe dose-réponse linéaire, indiquant la production d’un autre type de lésions devant être réparées par le système de réparation par recombinaison homologue. Ces lésions pourraient être des bris à l’ADN ou des bases oxydées (8-OH-dG), ce qui est suggéré par l’analyse des corrélations existant entre nos biomarqueurs. Par ailleurs, la comparaison de la courbe dose-réponse des hommes et des femmes montre que des différences existent entre les sexes. Ainsi, les ÉCS, les AC et les MN sont significativement augmentés chez les hommes à la plus faible concentration de BaP, alors que chez les femmes cette augmentation, quoique présente, est non significative. Des différences interindividuelles sont également observées et sont plus importantes pour les adduits BPDE-ADN, les MN et les AC, alors que pour les ÉCS elles sont minimes. Les analyses statistiques effectuées ont permis d’établir que quatre facteurs (niveau d’exposition au BaP, adduits BPDE-ADN, fréquence des AC et nombre de MN par cellule micronucléée) expliquent jusqu’à 59 % de la variabilité observée dans le test des ÉCS, alors qu’aucun facteur significatif n’a pu être identifié dans le test des AC et des MN. L’analyse du mécanisme de formation de nos biomarqueurs précoces permet de suggérer que les bris à l’ADN et les bases oxydées devraient être classées comme biomarqueurs de dose biologique efficace, au sein des biomarqueurs d’exposition, dans le continuum exposition-maladie du BaP, étant donné qu’ils causent la formation des biomarqueurs de génotoxicité (ÉCS, AC et MN). Par ailleurs, le test des AC et des MN ont permis de confirmer l’action clastogénique du BaP en plus de mettre en évidence des effets aneugènes affectant surtout la ségrégation des chromosomes lors de la division cellulaire. Ces effets aneugènes, reliés à l’étape de progression dans la cancérogenèse, pourraient être particulièrement importants puisque l’exposition au BaP et aux HAP est chronique et dure plusieurs années, voire des décennies. La compréhension des mécanismes régissant la formation des biomarqueurs étudiés dans cette étude, ainsi que des relations existant entre eux, peut être appliquée à de nombreux contaminants connus et émergents de notre environnement et contribuer à en évaluer le mode d’action.

Unveiling the components of the signaling pathway between endosomes and the phagocytic uptake machinery in Dictyostelium discoideum

The soil amoebae Dictyostelium discoideum take up particles from their environment in order to obtain nutrition. The particle transits through the cell within a phagosome that fuses with organelles of different molecular compositions, undergoing a gradual degradation by different sets of hydrolytic enzymes. Griffiths’ concept of “phagosome individuality” predicts signaling from phagosomes into the cytoplasm, which might regulate many aspects of cell physiology. The finding that Dictyostelium cells depleted of the lysozyme AlyA or over-expressing the esterase Gp70 exhibit increased uptake of food particles, led to the postulation of a signaling cascade between endocytic compartments and the cytoskeletal uptake machinery at the plasma membrane. Assuming that Gp70 acts downstream of AlyA, gene-expression profiling of both mutants revealed different and overlapping sets of misregulated genes that might participate in this signaling cascade. Based on these results, we analyzed the effects of the artificial misregulation of six candidate genes by over-expression or negative genetic interference, in order to reconstruct at least part of the signaling pathway. SSB420 and SSL793 were chosen as candidates for the first signaling step, as they were up-regulated in AlyA-null cells and remained unaltered in the Gp70 over-expressing cells. The over-expression of SSB420 enhanced phagocytosis and raised the expression levels of Gp70, supporting its involvement in the signaling pathway between AlyA and Gp70 as a positive regulator of phagocytosis. However, this was not the case of cells over-expressing SSL793, as this mutation had no effects on phagocytosis. For the signaling downstream of Gp70, we studied four commonly misregulated genes in AlyA-depleted and Gp70 over-expressing cells. The expression levels of SLB350, SSB389 and TipD were lower in both mutants and therefore these were assumed as possible candidates for the negative regulation of phagocytosis. Cells depleted of SLB350 exhibited an increased phagocytic activity and no effect on Gp70 expression, proving its participation in the signaling pathway downstream of Gp70. Unlike SLB350, the disruption of the genes coding for SSB389 and TipD had no effects on particle uptake, excluding them from the pathway. The fourth candidate was Yipf1, the only gene that was commonly up-regulated in both mutants. Yet, the artificial over-expression of this protein had no effects on phagocytosis, so this candidate is also not included in the signaling pathway. Furthermore, localizing the products of the candidate genes within the cell helped unveiling several cellular organelles that receive signals from the phagosome and transduce them towards the uptake machinery.

Endothelin-converting enzyme-1 regulates trafficking and signalling of the neurokinin 1 receptor in endosomes of myenteric neurones

Neuropeptide signalling at the plasma membrane is terminated by neuropeptide degradation by cell-surface peptidases, and by beta-arrestin-dependent receptor desensitization and endocytosis. However, receptors continue to signal from endosomes by beta-arrestin-dependent processes, and endosomal sorting mediates recycling and resensitization of plasma membrane signalling. The mechanisms that control signalling and trafficking of receptors in endosomes are poorly defined. We report a major role for endothelin-converting enzyme-1 (ECE-1) in controlling substance P (SP) and the neurokinin 1 receptor (NK(1)R) in endosomes of myenteric neurones. ECE-1 mRNA and protein were expressed by myenteric neurones of rat and mouse intestine. SP (10 nM, 10 min) induced interaction of NK(1)R and beta-arrestin at the plasma membrane, and the SP-NK(1)R-beta-arrestin signalosome complex trafficked by a dynamin-mediated mechanism to ECE-1-containing early endosomes, where ECE-1 can degrade SP. After 120 min, NK(1)R recycled from endosomes to the plasma membrane. ECE-1 inhibitors (SM-19712, PD-069185) and the vacuolar H(+)ATPase inhibitor bafilomycin A(1), which prevent endosomal SP degradation, suppressed NK(1)R recycling by >50%. Preincubation of neurones with SP (10 nM, 5 min) desensitized Ca(2+) transients to a second SP challenge after 10 min, and SP signals resensitized after 60 min. SM-19712 inhibited NK(1)R resensitization by >90%. ECE-1 inhibitors also caused sustained SP-induced activation of extracellular signal-regulated kinases, consistent with stabilization of the SP-NK(1)R-beta-arrestin signalosome. By degrading SP and destabilizing endosomal signalosomes, ECE-1 has a dual role in controlling endocytic signalling and trafficking of the NK(1)R: promoting resensitization of G protein-mediated plasma membrane signalling, and terminating beta-arrestin-mediated endosomal signalling.

Endosomes: a legitimate platform for the signaling train

Although long regarded as a conduit for the degradation or recycling of cell surface receptors, the endosomal system is also an essential site of signal transduction. Activated receptors accumulate in endosomes, and certain signaling components are exclusively localized to endosomes. Receptors can continue to transmit signals from endosomes that are different from those that arise from the plasma membrane, resulting in distinct physiological responses. Endosomal signaling is widespread in metazoans and plants, where it transmits signals for diverse receptor families that regulate essential processes including growth, differentiation and survival. Receptor signaling at endosomal membranes is tightly regulated by mechanisms that control agonist availability, receptor coupling to signaling machinery, and the subcellular localization of signaling components. Drugs that target mechanisms that initiate and terminate receptor signaling at the plasma membrane are widespread and effective treatments for disease. Selective disruption of receptor signaling in endosomes, which can be accomplished by targeting endosomal-specific signaling pathways or by selective delivery of drugs to the endosomal network, may provide novel therapies for disease.

Endothelin-converting enzyme 1 degrades neuropeptides in endosomes to control receptor recycling

Neuropeptide signaling requires the presence of G protein-coupled receptors (GPCRs) at the cell surface. Activated GPCRs interact with beta-arrestins, which mediate receptor desensitization, endocytosis, and mitogenic signaling, and the peptide-receptor-arrestin complex is sequestered into endosomes. Although dissociation of beta-arrestins is required for receptor recycling and resensitization, the critical event that initiates this process is unknown. Here we report that the agonist availability in the endosomes, controlled by the membrane metalloendopeptidase endothelin-converting enzyme 1 (ECE-1), determines stability of the peptide-receptor-arrestin complex and regulates receptor recycling and resensitization. Substance P (SP) binding to the tachykinin neurokinin 1 receptor (NK1R) induced membrane translocation of beta-arrestins followed by trafficking of the SP-NK1R-beta-arrestin complex to early endosomes containing ECE-1a-d. ECE-1 degraded SP in acidified endosomes, disrupting the complex; beta-arrestins returned to the cytosol, and the NK1R, freed from beta-arrestins, recycled and resensitized. An ECE-1 inhibitor, by preventing NK1R recycling in endothelial cells, inhibited resensitization of SP-induced inflammation. This mechanism is a general one because ECE-1 similarly regulated NK3R resensitization. Thus, peptide availability in endosomes, here regulated by ECE-1, determines the stability of the peptide-receptor-arrestin complex. This mechanism regulates receptor recycling, which is necessary for sustained signaling, and it may also control beta-arrestin-dependent mitogenic signaling of endocytosed receptors. We propose that other endosomal enzymes and transporters may similarly control the availability of transmitters in endosomes to regulate trafficking and signaling of GPCRs. Antagonism of these endosomal processes represents a strategy for inhibiting sustained signaling of receptors, and defects may explain the tachyphylaxis of drugs that are receptor agonists.

The bile acid receptor TGR5 does not interact with β-arrestins or traffic to endosomes but transmits sustained signals from plasma membrane rafts.

TGR5 is a G protein-coupled receptor that mediates bile acid (BA) effects on energy balance, inflammation, digestion and sensation. The mechanisms and spatiotemporal control of TGR5 signaling are poorly understood. We investigated TGR5 signaling and trafficking in transfected HEK293 cells and colonocytes (NCM460) that endogenously express TGR5. BAs (deoxycholic acid, DCA, taurolithocholic acid, TLCA) and the selective agonists oleanolic acid (OA) and 3-(2-chlorophenyl)-N-(4-chlorophenyl)-N, 5-dimethylisoxazole-4-carboxamide (CCDC) stimulated cAMP formation but did not induce TGR5 endocytosis or recruitment of β-arrestins, assessed by confocal microscopy. DCA, TLCA and OA did not stimulate TGR5 association with β-arrestin 1/2 or G protein-coupled receptor kinase (GRK) 2/5/6, determined by bioluminescence resonance energy transfer. CCDC stimulated a low level of TGR5 interaction with β-arrestin2 and GRK2. DCA induced cAMP formation at the plasma membrane and cytosol, determined using exchange factor directly regulated by cAMP (Epac2)-based reporters, but cAMP signals did not desensitize. AG1478, an inhibitor of epidermal growth factor receptor (EGFR) tyrosine kinase, the metalloprotease inhibitor batimastat, and methyl-β-cyclodextrin and filipin, which block lipid raft formation, prevented DCA stimulation of extracellular signal regulated kinase (ERK1/2). BRET analysis revealed TGR5 and EGFR interactions that were blocked by disruption of lipid rafts. DCA stimulated TGR5 redistribution to plasma membrane microdomains, localized by immunogold electron microscopy. Thus, TGR5 does not interact with β-arrestins, desensitize or traffic to endosomes. TGR5 signals from plasma membrane rafts that facilitate EGFR interaction and transactivation. An understanding of the spatiotemporal control of TGR5 signaling provides insights into the actions of BAs and therapeutic TGR5 agonists/antagonists.