Intranuclear diffusion and hybridization state of oligonucleotides measured by fluorescence correlation spectroscopy in living cells

Fluorescein-labeled oligodeoxynucleotides (oligos) were introduced into cultured rat myoblasts, and their molecular movements inside the nucleus were studied by fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). FCS revealed that a large fraction of both intranuclear oligo(dT) (43%) and oligo(dA) (77%) moves rapidly with a diffusion coefficient of 4 × 10−7 cm2/s. Interestingly, this rate of intranuclear oligo movement is similar to their diffusion rates measured in aqueous solution. In addition, we detected a large fraction (45%) of the intranuclear oligo(dT), but not oligo(dA), diffusing at slower rates (≤1 × 10−7 cm2/s). The amount of this slower-moving oligo(dT) was greatly reduced if the oligo(dT) was prehybridized in solution with (unlabeled) oligo(dA) prior to introduction to cells, presumably because the oligo(dT) was then unavailable for subsequent hybridization to endogenous poly(A) RNA. The FCS-measured diffusion rate for much of the slower oligo(dT) population approximated the diffusion rate in aqueous solution of oligo(dT) hybridized to a large polyadenylated RNA (1.0 × 10−7 cm2/s). Moreover, this intranuclear movement rate falls within the range of calculated diffusion rates for an average-sized heterogeneous nuclear ribonucleoprotein particle in aqueous solution. A subfraction of oligo(dT) (15%) moved over 10-fold more slowly, suggesting it was bound to very large macromolecular complexes. Average diffusion coefficients obtained from FRAP experiments were in agreement with the FCS data. These results demonstrate that oligos can move about within the nucleus at rates comparable to those in aqueous solution and further suggest that this is true for large ribonucleoprotein complexes as well.

FRAP analysis of nucleocytoplasmic dynamics of the vitamin D receptor splice variant VDRB1: preferential targeting to nuclear speckles

Although the key components of the cellular nuclear transport machinery have largely been characterized through extensive efforts in recent years, in vivo measurements of the kinetics of nuclear protein import/export are patently few. The present study applies the approach of FRAP (fluorescence recovery after photobleaching) to examine the nucleocytoplasmic flux of a novel human VDRB1 (vitamin D receptor B I) isoform in living cells. Through an N-terminal extension containing a consensus nuclear targeting sequence, VDRB1 is capable of localizing in nuclear speckles adjacent to SC-35 (35 kDa splicing component)containing speckles as well as in the nucleoplasm, dependent on ligand. Investigation of VDRB1 nucleocytoplasmic transport using FRAP indicates for the first time that the VDRB1 has a serum-modulated, active nuclear-import mechanism. There is no evidence of an efficient, active export mechanism for VDRB1, probably as a result of nuclear retention. VDRB1 nuclear import in the absence of serum occurred more rapidly and to a greater extent to nuclear speckles compared with import to other nuclear sites. This preferential transport from the cytoplasm to and accumulation within nuclear speckles is consistent with the idea that the latter represent dynamic centres of VDRB1 interaction with other nuclear proteins. The results are consistent with the existence of specialized pathways to target proteins to nuclear subdomains.

Tropomyosin Tm5NM1 spatially restricts src kinase activity through perturbation of rab11 vesicle trafficking

In order for cells to stop moving, they must synchronously stabilize actin filaments and their associated focal adhesions. How these two structures are coordinated in time and space is not known. We show here that the actin association protein Tm5NM1, which induces stable actin filaments, concurrently suppresses the trafficking of focal-adhesion-regulatory molecules. Using combinations of fluorescent biosensors and fluorescence recovery after photobleaching (FRAP), we demonstrate that Tm5NM1 reduces the level of delivery of Src kinase to focal adhesions, resulting in reduced phosphorylation of adhesion-resident Src substrates. Live imaging of Rab11-positive recycling endosomes that carry Src to focal adhesions reveals disruption of this pathway. We propose that tropomyosin synchronizes adhesion dynamics with the cytoskeleton by regulating actin-dependent trafficking of essential focal-adhesion molecules.

Étude du trafic cellulaire de la convertase de proprotéine PCSK9 responsable de la dégradation du récepteur des lipoprotéines de faible densité (LDLR)

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont la principale cause de mortalité dans les pays industrialisés. L'hypercholestérolémie constitue un facteur de risque majeur pour les MCV. Elle est caractérisée par des niveaux élevés de lipoprotéines de faible densité (LDL, aussi appelé “mauvais cholestérol”). La présence prolongée de haut niveaux de LDL dans la circulation augmente le risque de formation de plaques athérosclérotiques, ce qui peut conduire à l'obstruction des artères et l'infarctus du myocarde. Le LDL est normalement extrait du sang par sa liaison au récepteur du LDL (LDLR) qui est responsable de son endocytose dans les hépatocytes. Des études génétiques humaines ont identifié PCSK9 (proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) comme le troisième locus responsable de l'hypercholestérolémie autosomique dominante après le LDLR et son ligand l’apolipoprotéine B-100. PCSK9 interagit avec le LDLR et induit sa dégradation, augmentant ainsi les niveaux plasmatiques de LDL. Les mutations gain de fonction (GF) de PCSK9 sont associées à des niveaux plasmatiques élevés de LDL et à l'apparition précoce des MCV, alors que les mutations perte de fonction (PF) de PCSK9 diminuent le risque de MCV jusqu’à ~ 88% grâce à une réduction du LDL circulant. De ce fait, PCSK9 constitue une cible pharmacologique importante pour réduire le risque de MCV. PCSK9 lie le LDLR à la surface cellulaire et/ou dans l'appareil de Golgi des hépatocytes et provoque sa dégradation dans les lysosomes par un mécanisme encore mal compris. Le but de cette étude est de déterminer pourquoi certaines mutations humaines de PCSK9 sont incapables de dégrader le LDLR tandis que d'autres augmentent sa dégradation dans les lysosomes. Plusieurs mutations GF et PF de PCSK9 ont été fusionnées à la protéine fluorecente mCherry dans le but d'étudier leur mobilité moléculaire dans les cellules hépatiques vivantes. Nos analyses quantitatives de recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) ont montré que les mutations GF (S127R et D129G) avaient une mobilité protéique plus élevée (> 35% par rapport au WT) dans le réseau trans- Golgien. En outre, nos analyses quantitatives de recouvrement de fluorescence inverse après photoblanchiment (iFRAP) ont montré que les mutations PF de PCSK9 (R46L) avaient une mobilité protéique plus lente (<22% par rapport au WT) et une fraction mobile beaucoup plus petite (<40% par rapport au WT). Par ailleurs, nos analyses de microscopie confocale et électronique démontrent pour la toute première fois que PCSK9 est localisée et concentrée dans le TGN des hépatocytes humains via son domaine Cterminal (CHRD) qui est essentiel à la dégradation du LDLR. De plus, nos analyses sur des cellules vivantes démontrent pour la première fois que le CHRD n'est pas nécessaire à l'internalisation de PCSK9. Ces résultats apportent de nouveaux éléments importants sur le mécanisme d'action de PCSK9 et pourront contribuer ultimement au développement d'inhibiteurs de la dégradation du LDLR induite par PCSK9.

Herstellung und physikochemische Charakterisierung von planaren gestützten Lipid-Modellmembran-Systemen

Es wurden funktionalisierte polymerunterstützte planare Phospholipid-Modellmembran-Systeme hergestellt und auf jeder Präparationsstufe eingehend charakterisiert. Dünne Polysaccharidfilme wurden in der Form von quellbaren Gelen auf oxidische Oberflächen aufgebracht und bezüglich ihres Quellungsverhaltens und der Oberflächeneigenschaften in Abhängigkeit vom Wassergehalt untersucht. Lipidmonoschichten unterschiedlicher Zusammensetzung wurden mittels Langmuir-Blodgett-Tranfer auf Polymersubstrate übertragen und bezüglich der Stärke der Lipid/Polymer Wechselwirkung, der lateralen Selbstdiffusion in Abhängigkeit von der Wasseraktivität, dem Spreitverhalten der monomolekularen Membran auf dem Substrat in Abhängigkeit von der Wasseraktivität und dem Lateraldruck der Monoschicht, sowie des Ausmaßes der Hydratation im Kopfgruppenbereich der Lipidmembran in Abhängigkeit von der Wasseraktivität mittels Fluoreszensondenmethoden (Fluoreszenzerholung nach Photobleichung (FRAP), Fluoreszenzmikroskopie und Fluoreszenzspektroskopie) untersucht. Diffusions- und Spreitverhalten von amphiphilen Monoschichten auf Polymersubstraten wurden auf der Basis von in dieser Arbeit entwickelten physikalischen Modellen diskutiert. Mittels Langmuir-Schäfer Transfer wurde auf polymerunterstützte Lipidmonoschichten eine zweite Monoschicht übertragen. Die somit erhaltenen Lipid-Doppelschichtmembranen wurden bezüglich ihrer Stabilität, der lateralen Struktur, der lateralen Selbstdiffusion, des Spreitverhaltens auf unbedeckte Bereiche sowie der Stärke der Membran/Substrat Wechselwirkung vermittels Fluoreszenzmikroskopie, FRAP und Interferenz-Kontrast-Mikroskopie (RICM) untersucht. Schließlich wurden substratgestützte Doppelschicht-Lipidmembranen mit als Protonenpumpen fungierenden integralen Membranproteinen versehen. Die laterale Selbstdiffusion der rekonstituierten Proteinmoleküle wurde mittels FRAP, die funktionale Aktivität der Protonenpumpen mit einem Ionen-sensitiven Feldeffekttransistor-Array analysiert.

Photofixierung von Lipidmembranen aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen

Ziel war Herstellung und Charakterisierung festkörperunterstützter Membransysteme aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen, mit elektrischen Eigenschaften, die denen der Schwarzfilmmembranen entsprechen. Um diese Eigenschaften mit impedanzspektroskopischen Techniken messen zu können, ist die Präparation der Membranen auf Goldfilmen notwendig. Eine direkte Verankerung der Glykolipopolymermoleküle (GLP) auf der Goldoberfläche ist nicht möglich, daher werden die untersuchten GLP mit Hilfe von photoreaktiven Molekülen kovalent auf der Goldoberfläche immobilisiert. Untersuchten Abstandhalter waren Thio-Polyethylenglykol und eine Mischung zweier Alkanthiole, bestehend aus 1-Thiohexanol und Bis-(Aminododecyl)-disulfid. Thio-PEG-Monoschichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken, weil die Moleküle auf der Oberfläche sehr unterschiedliche Konformationen annehmen können, die eine regelmässige Anordnung erschweren. Langmuir-Blodgett Übertrag sowie die durchgeführte photochemische Fixierung der GLP-Moleküle auf Thio-PEG Schichten führte zu Eigenschaften, die auf den Aufbau einer Lipidmonolage hinweisen. Diese stellte jedoch im Bereich der Lipidmoleküle keine geschlossene Schicht dar. Es kommen als Abstandhaltermoleküle für die Photofunktionalisierung nur Moleküle in Frage, die aufgrund ihrer Eigenschaften eine regelmässige Anordnung auf der Goldoberfläche anstreben. Diese Voraussetzung erfüllt am besten die Gruppe der Alkanthiole. Terminal funktionalisierte Alkanthiole müssen jedoch mit nicht oder anderweitig funktionalisierten Alkanthiolen verdünnt assembliert werden, um weitergehende Funktionalisierungen einzugehen. Die untersuchten GLP lassen sich aufgrund ihrer amphiphilen Struktur an der Wasser-Luft Grenzfläche vororientieren. In allen Fällen gelingt auch der Langmuir-Blodgett Übertrag der komprimierten Schicht, sowie, nach der für die Anbindung notwendigen Trocknung, die photochemisch kovalente Fixierung der Monoschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht. Damit konnte erstmals die photochemisch kovalente Fixierung von GLPs auf der Goldoberfläche gezeigt werden. Untersuchungen erfolgten an einem Copolymer sowie zwei unterschiedlichen Homopolymermolekülen. Der unterschiedliche molekulare Aufbau der GLP spiegelt sich in ihrem Verhalten an der Wasser-Luft Grenzfläche sowie in den Eigenschaften der gebildeten Monoschichten wieder. Die Copolymer-Schichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken. Auch die EIS-Daten sind schlecht reproduzierbar. Dies ist auf die molekulare Struktur des Copolymers zurückzuführen. Gänzlich unterschiedlich verhalten sich die Homopolymere. Aufgrund ihrer Struktur lassen sie sich zu dichten Schichten komprimieren. Messungen der Fluoreszenzerholung nach Photobleichung (FRAP) zeigen homogene aber nicht fluide Schichten. Die photochemisch kovalente Fixierung des Moleküls auf der Goldoberfläche konnte durch SPR- sowie EIS-Messungen nachgewiesen werden. Die EIS-Messungen zeigen Werte, die sich in Bereichen der idealen Modellmembran bewegen. Der erfolgreiche Einbau von Valinomycin konnte bestätigt werden. FRAP Untersuchungen zeigten die Bildung homogener Schichten. Diese sind jedoch im Bereich der proximalen Lipidschicht nicht fluide. Um die Fluidität in Anlehnung an die Eigenschaften der natürlichen Membranen zu erhöhen, wurden die photochemisch kovalent fixierten Anker-Glykolipopolymer-Moleküle durch Mischung mit freien Lipiden lateral verdünnt. Auch die kovalente Fixierung der GLP-Bausteine innerhalb gemischten Schichten konnte erfolgreich demonstriert werden. Die Schichten zeigten sich jedoch, mit Ausnahme der Schichten aus 50mol% Homopolymer und 50mol% Lipid, inhomogen. Nach Photobleichung durch den Laserblitz kam es nur bei den 50mol%:50mol% -Schichten (Ho: Lipid) zur Erholung der Fluoreszenz, was auf das Vorliegen von beweglichen Lipidmolekülen innerhalb der Membran schliessen lässt. Der Versuch der Inkorporation von Valinomycin gelang ebenfalls. Alle genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die molekulare Architektur der hergestellten Schichten durch die unterschiedlichen Längendimensionen des Homopolymer-Moleküls einerseits, sowie des Lipids andererseits nicht für alle Mischungsverhältnisse ausreichend stabil ist. Die für die kovalente Fixierung erforderliche Trocknung der Schicht führt zu einer deutlichen Verminderung des Wassergehaltes des Systems und einer daraus resultierenden starken Destabilisierung der aufgebauten Schichten. Insgesamt gesehen stellt somit die photochemische Fixierung der glykosidischen Homopolymer-Membranen ein vielversprechendes Modellsystem dar.

Derivate des Ionentransporters Valinomycin

In der vorliegenden Arbeit wurden Derivate des Ionentransporters Valinomycin synthetisiert und als Sensorelemente in Modellmembransysteme inkorporiert. Als Modellmembranen wurden festkörpergestützte Lipiddoppelschichten (tBLMs, tethered bilayer lipid membranes) verwendet. rnValinomycin transportiert selektiv Kalium-Ionen durch Membranen, was durch einen Rückgang des Widerstandes über elektrochemische Messmethoden nachgewiesen werden kann. Es ist ein zyklisches Dodecadepsipeptid, das aus zwei verschiedenen Aminosäuren (L- und D-Valin) und  Hydroxysäuren (L Milchsäure und D Hydroxyisovaleriansäure) besteht. In dieser Arbeit wurde ein L Valin durch ein L-Lysin ausgetauscht, um eine freie Aminogruppe zum Anbinden verschiedenster Liganden zu erhalten. rnDie Synthese erfolgte in Lösung über einen linearen Decadepsipeptid-Precursor, hierbei wurde hauptsächlich mit Benzyl- und Boc-Schutzgruppen gearbeitet. An den Precursor wurden dann unterschiedlich modifizierte Lysin-Didepside gebunden und das daraus erhaltene lineare Dodecadepsipeptid zyklisiert.rnInsgesamt wurden sechs verschiedene Derivate synthetisiert, deren Ionentransportfähigkeit mit Hilfe eines angebundenen Liganden blockiert wurde. Diese Blockade kann entweder mechanisch durch Festhalten des Ionencarriers an der Oberfläche der Membran oder chemisch durch Einbringen einer Ladung erfolgen, da geladene Moleküle eine Membran nicht überwinden können. rnAcetyl-Lysin-Valinomycin wurde als Testsystem hergestellt, um zu zeigen, dass die Synthese einen funktionsfähigen Ionencarrier ergeben hatte. Im nächsten Schritt wurde Lysin-Valinomycin mit freier Aminogruppe synthetisiert, um es als pH-Sensor zu nutzen und damit zu überprüfen, ob das chemische Einbringen einer Ladung möglich ist. Es konnte ein pH abhängiger Kalium-Transport nachgewiesen werden, die Blockade der Ionentransportfähigkeit über eine eingebrachte Ladung ist somit möglich. rnAuf dem gleichen Konzept beruht Ferrocen-Valinomycin. Wird der Ferrocen-Ligand oxidiert, liegt eine positive Ladung vor und der Ionencarrier kann die Membran nicht mehr überwinden. Eine Reduktion macht diesen Prozess reversibel. Ferrocen-Valinomycin konnte innerhalb einer tBLM chemisch oxidiert und reduziert werden, dieses System kann somit als chemischer Redox-Sensor eingesetzt werden.rnEine mechanische Blockade liegt dem Biotin- und dem Sulfonamid-Valinomycin zugrunde. Dabei soll die Zugabe von Streptavidin bzw. BCA II (bovine Carboanhydrase) den Ionentransport durch die Membran stoppen. Beide Valinomycin-Derivate zeigten aber keine Ionentransportfähigkeit, eine Inkorporation in tBLMs konnte jedoch über SPR gezeigt werden. rnDie Synthese eines fluoreszenz-markierten (FITC) Valinomycins ergab zwar auch keinen transportfähigen Ionencarrier, aber mit diesem Derivat konnte der Diffusionskoeffizient von Valinomycin in sBLMs mit Hilfe von Fluorescence Recovery after photobleaching (FRAP) bestimmt werden.rn

Golgi Complex Reorganization during Muscle Differentiation: Visualization in Living Cells and Mechanism

During skeletal muscle differentiation, the Golgi complex (GC) undergoes a dramatic reorganization. We have now visualized the differentiation and fusion of living myoblasts of the mouse muscle cell line C2, permanently expressing a mannosidase-green fluorescent protein (GFP) construct. These experiments reveal that the reorganization of the GC is progressive (1–2 h) and is completed before the cells start fusing. Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP), immunofluorescence, and immunogold electron microscopy demonstrate that the GC is fragmented into elements localized near the endoplasmic reticulum (ER) exit sites. FRAP analysis and the ER relocation of endogenous GC proteins by phospholipase A2 inhibitors demonstrate that Golgi-ER cycling of resident GC proteins takes place in both myoblasts and myotubes. All results support a model in which the GC reorganization in muscle reflects changes in the Golgi-ER cycling. The mechanism is similar to that leading to the dispersal of the GC caused, in all mammalian cells, by microtubule-disrupting drugs. We propose that the trigger for the dispersal results, in muscle, from combined changes in microtubule nucleation and ER exit site localization, which place the ER exit sites near microtubule minus ends. Thus, changes in GC organization that initially appear specific to muscle cells, in fact use pathways common to all mammalian cells.

Radial and longitudinal diffusion of myoglobin in single living heart and skeletal muscle cells

We have used a fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) technique to measure radial diffusion of myoglobin and other proteins in single skeletal and cardiac muscle cells. We compare the radial diffusivities, Dr (i.e., diffusion perpendicular to the long fiber axis), with longitudinal ones, Dl (i.e., parallel to the long fiber axis), both measured by the same technique, for myoglobin (17 kDa), lactalbumin (14 kDa), and ovalbumin (45 kDa). At 22°C, Dl for myoglobin is 1.2 × 10−7 cm2/s in soleus fibers and 1.1 × 10−7 cm2/s in cardiomyocytes. Dl for lactalbumin is similar in both cell types. Dr for myoglobin is 1.2 × 10−7 cm2/s in soleus fibers and 1.1 × 10−7 cm2/s in cardiomyocytes and, again, similar for lactalbumin. Dl and Dr for ovalbumin are 0.5 × 10−7 cm2/s. In the case of myoglobin, both Dl and Dr at 37°C are about 80% higher than at 22°C. We conclude that intracellular diffusivity of myoglobin and other proteins (i) is very low in striated muscle cells, ≈1/10 of the value in dilute protein solution, (ii) is not markedly different in longitudinal and radial direction, and (iii) is identical in heart and skeletal muscle. A Krogh cylinder model calculation holding for steady-state tissue oxygenation predicts that, based on these myoglobin diffusivities, myoglobin-facilitated oxygen diffusion contributes 4% to the overall intracellular oxygen transport of maximally exercising skeletal muscle and less than 2% to that of heart under conditions of high work load.

Dynamic microtubules regulate the local concentration of E-cadherin at cell-cell contacts

In contrast to the well-established relationship between cadherins and the actin cytoskeleton, the potential link between cadherins and microtubules (MTs) has been less extensively investigated. We now identify a pool of MTs that extend radially into cell-cell contacts and are inhibited by manoeuvres that block the dynamic activity of MT plus-ends (e.g. in the presence of low concentrations of nocodazole and following expression of a CLIP-170 mutant). Blocking dynamic MTs perturbed the ability of cells to concentrate and accumulate E-cadherin at cell-cell contacts, as assessed both by quantitative immunofluorescence microscopy and fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) analysis, but did not affect either transport of E-cadherin to the plasma membrane or the amount of E-cadherin expressed at the cell surface. This indicated that dynamic MTs allow cells to concentrate E-cadherin at cell-cell contacts by regulating the regional distribution of E-cadherin once it reaches the cell surface. Importantly, dynamic MTs were necessary for myosin II to accumulate and be activated at cadherin adhesive contacts, a mechanism that supports the focal accumulation of E-cadherin. We propose that this population of MTs represents a novel form of cadherin-MT cooperation, where cadherin adhesions recruit dynamic MTs that, in turn, support the local concentration of cadherin molecules by regulating myosin II activity at cell-cell contacts.

Histone H2A Has a Novel Variant in Fish Oocytes

Histone variants and their modification have significant roles in many cellular processes. In this study, we identified and characterized the histone H2A variant h2af1o in fish and revealed its oocyte-specific expression pattern during oogenesis and embryogenesis. Moreover, posttranslational modification of H2af1o was observed that results from phosphorylation during oocyte maturation. To understand the binding dynamics of the novel core histone variant H2af1o in nucleosomes, we cloned ubiquitous gibel carp h2afx as a conventional histone control and investigated the dynamic exchange difference in chromatin by fluorescence recovery after photobleaching. H2af1o has significantly higher mobility in nucleosomes than ubiquitous H2afx. Compared with ubiquitous H2afx, H2af1o has a tightly binding C-terminal and a weakly binding N-terminal. These data indicate that fish oocytes have a novel H2A variant that destabilizes nucleosomes by protruding its N-terminal tail and stabilizes core particles by contracting its C-terminal tail. Our findings suggest that H2af1o may have intrinsic ability to modify chromatin properties during fish oogenesis, oocyte maturation, and early cleavage.

Dynamic interaction of NtMAP65-1a with microtubules in vivo

Plant microtubules are intrinsically more dynamic than those from animals. We know little about the dynamics of the interaction of plant microtubule-associated proteins (MAPs) with microtubules. Here, we have used tobacco and Arabidopsis MAPs with relative molecular mass 65 kDa (NtMAP65-1a and AtMAP65-1), to study their interaction with microtubules in vivo. Using fluorescence recovery after photobleaching we report that the turnover of both NtMAP65-1a and AtMAP65-1 bound to microtubules is four- to fivefold faster than microtubule treadmilling (13 seconds compared with 56 seconds, respectively) and that the replacement of NtMAP65-1a on microtubules is by random association rather than by translocation along microtubules. MAP65 will only bind polymerised microtubules and not its component tubulin dimers. The turnover of NtMAP65-1a and AtMAP65-1 on microtubules is similar in the interphase cortical array, the preprophase band and the phragmoplast, strongly suggesting that their role in these arrays is the same. NtMAP65-1a and AtMAP65-1 are not observed to bind microtubules in the metaphase spindle and their rate of recovery is consistent with their cytoplasmic localisation. In addition, the dramatic reappearance of NtMAP65-1a on microtubules at the spindle midzone in anaphase B suggests that NtMAP65-1a is controlled post-translationally. We conclude that the dynamic properties of these MAPs in vivo taken together with the fact that they have been shown not to effect microtubule polymerisation in vitro, makes them ideally suited to a role in crossbridging microtubules that need to retain spatial organisation in rapidly reorganising microtubule arrays.

Anisotropic Brownian motion in ordered phases of DNA fragments

Using Fluorescence Recovery After Photobleaching, we investigate the Brownian motion of DNA rod-like fragments in two distinct anisotropic phases with a local nematic symmetry. The height of the measurement volume ensures the averaging of the anisotropy of the in-plane diffusive motion parallel or perpendicular to the local nematic director in aligned domains. Still, as shown in using a model specifically designed to handle such a situation and predicting a non-Gaussian shape for the bleached spot as fluorescence recovery proceeds, the two distinct diffusion coefficients of the DNA particles can be retrieved from data analysis. In the first system investigated (a ternary DNA-lipid lamellar complex), the magnitude and anisotropy of the diffusion coefficient of the DNA fragments confined by the lipid bilayers are obtained for the first time. In the second, binary DNA-solvent system, the magnitude of the diffusion coefficient is found to decrease markedly as DNA concentration is increased from isotropic to cholesteric phase. In addition, the diffusion coefficient anisotropy measured within cholesteric domains in the phase coexistence region increases with concentration, and eventually reaches a high value in the cholesteric phase.

Epithelial-mesenchymal transition in oral squamous carcinoma cells

In epithelial-mesenchymal transition (EMT), epithelial cells acquire traits typical for mesenchymal cells, dissociate their cell-cell junctions and gain the ability to migrate. EMT is essential during embryogenesis, but may also mediate cancer progression. Basement membranes are sheets of extracellular matrix that support epithelial cells. They have a major role in maintaining the epithelial phenotype and, in cancer, preventing cell migration, invasion and metastasis. Laminins are the main components of basement membranes and may actively contribute to malignancy. We first evaluated the differences between cell lines obtained from oral squamous cell carcinoma and its recurrence. As the results indicated a change from epithelial to fibroblastoid morphology, E-cadherin to N-cadherin switch, and change in expression of cytokeratins to vimentin intermediate filaments, we concluded that these cells had undergone EMT. We further induced EMT in primary tumour cells to gain knowledge of the effects of transcription factor Snail in this cell model. The E-cadherin repressors responsible for the EMT in these cells were ZEB-1, ZEB-2 and Snail, and ectopic expression of Snail was able to augment the levels of ZEB-1 and ZEB-2. We produced and characterized two monoclonal antibodies that specifically recognized Snail in cell lines and patient samples. By immunohistochemistry, Snail protein was found in mesenchymal tissues during mouse embryonal development, in fibroblastoid cells of healing skin wounds and in fibromatosis and sarcoma specimens. Furthermore, Snail localized to the stroma and borders of tumour cell islands in colon adenocarcinoma, and in laryngeal and cervical squamous cell carcinomas. Immunofluorescence labellings, immunoprecipitations and Northern and Western blots showed that EMT induced a progressive downregulation of laminin-332 and laminin-511 and, on the other hand, an induction of mesenchymal laminin-411. Chromatin immunoprecipitation revealed that Snail could directly bind upstream to the transcription start sites of both laminin α5 and α4 chain genes, thus regulating their expression. The levels of integrin α6β4, a receptor for laminin-332, as well as the hemidesmosomal complex proteins HD1/plectin and BP180 were downregulated in EMT-experienced cells. The expression of Lutheran glycoprotein, a specific receptor for laminin-511, was diminished, whereas the levels of integrins α6β1 and α1β1 and integrin-linked kinase were increased. In quantitative cell adhesion assays, the cells adhered potently to laminin-511 and fibronectin, but only marginally to laminin-411. Western blots and immunoprecipitations indicated that laminin-411 bound to fibronectin and could compromise cell adhesion to fibronectin in a dose-dependent manner. EMT induced a highly migratory and invasive tendency in oral squamous carcinoma cells. Actin-based adhesion and invasion structures, podosomes and invadopodia, were detected in the basal cell membranes of primary tumour and spontaneously transformed cancer cells, respectively. Immunofluorescence labellings showed marked differences in their morphology, as podosomes organized a ring structure with HD1/plectin, αII-spectrin, talin, focal adhesion kinase and pacsin 2 around the core filled with actin, cortactin, vinculin and filamin A. Invadopodia had no division between ring and core and failed to organize the ring proteins, but instead assembled tail-like, narrow actin cables that showed a talin-tensin switch. Time-lapse live-cell imaging indicated that both podosomes and invadopodia were long-lived entities, but the tails of invadopodia vigorously propelled in the cytoplasm and were occasionally released from the cell membrane. Invadopodia could also be externalized outside the cytoplasm, where they still retained the ability to degrade matrix. In 3D confocal imaging combined with in situ gelatin zymography, the podosomes of primary tumour cells were large, cylindrical structures that increased in time, whereas the invadopodia in EMT-driven cells were smaller, but more numerous and degraded the underlying matrix in significantly larger amounts. Fluorescence recovery after photobleaching revealed that the substructures of podosomes were replenished more rapidly with new molecules than those of invadopodia. Overall, our results indicate that EMT has a major effect on the transcription and synthesis of both intra- and extracellular proteins, including laminins and their receptors, and on the structure and dynamics of oral squamous carcinoma cells.

Inactivation of macrophage Rab7 by Burkholderia cenocepacia

Strains of the Burkholderia cepacia complex can survive within macrophages by arresting the maturation of phagocytic vacuoles. The bacteria preclude fusion of the phagosome with lysosomes by a process that is poorly understood. Using murine macrophages, we investigated the stage at which maturation is arrested and analyzed the underlying mechanism. Vacuoles containing B. cenocepacia strain J2315, an isolate of the transmissible ET12 clone, recruited Rab5 and synthesized phosphatidylinositol-3-phosphate, indicating progression to the early phagosomal stage. Despite the fact that the B. cenocepacia-containing vacuoles rarely fused with lysosomes, they could nevertheless acquire the late phagosomal markers CD63 and Rab7. Fluorescence recovery after photobleaching and use of a probe that detects Rab7-guanosine triphosphate indicated that activation of Rab7 was impaired by B. cenocepacia, accounting at least in part for the inability of the vacuole to merge with lysosomes. The Rab7 defect was not due to excessive cholesterol accumulation and was confined to the infected vacuoles. Jointly, these experiments indicate that B. cenocepacia express virulence factors capable of interfering with Rab7 function and thereby with membrane traffic.