Exploration d’un modèle d’étude simplifié de la spermiogenèse par l’utilisation de la levure à fission

Résumé: Les cellules germinales mâles remodèlent leur chromatine pour compacter leur noyau afin de protéger leur matériel génétique et assurer un transit optimal vers le gamète femelle. Il a été démontré que tous les spermatides de plusieurs mammifères, incluant l’homme et la souris, présentaient ce mécanisme de remodelage de la chromatine. Celui-ci est caractérisé par une augmentation transitoire de cassures d’ADN dont une quantité importante sont bicaténaires. Ce remodelage chromatinien a été étudié et semble être conservé chez plusieurs espèces, allant de l’algue à l’humain. Dans le contexte de la recherche fondamentale sur le phénomène de la spermiogenèse, il devient parfois très difficile d’investiguer certains aspects importants en vertu de l’impossibilité de réaliser des manipulations génétiques simples. Il est donc impératif de développer un nouveau modèle d’étude plus permissif afin de palier à ces difficultés encourues. Comme le processus de maturation des spores chez la levure à fission présente de grandes similitudes avec la spermiogenèse des mammifères, l’utilisation d’un modèle d’étude basé sur la sporulation de la levure à fission Schizosaccharomyces pombe a été proposée comme modèle comparatif de la spermatogenèse murine. À la suite de la synchronisation de la méiose de la souche S. pombe pat1-114, des analyses d’électrophorèse en champ pulsé (PFGE) et de qTUNEL ont permis de déterminer la présence de cassures bicaténaires transitoires de l’ADN lors de la maturation post-méiotique des ascospores nouvellement formés (t>7h). Des analyses par immunobuvardages dirigés contre le variant d’histones H2AS129p suggère la présence d’un remodelage chromatinien postméiotique dix heures suivant l’induction de la méiose, corroborant le modèle murin. Enfin, des analyses protéomiques couplées à l’analyse par spectrométrie de masse ont permis de proposer l’endonucléase Pnu1 comme candidat potentiellement responsable des cassures bicaténaires transitoires dans l’ADN des ascospores en maturation. En somme, bien que le processus de maturation des spores soit encore bien méconnu, quelques parallèles peuvent être tracés entre la maturation des ascospores de la levure à fission et la spermiogenèse des eucaryotes supérieurs. En identifiant un modèle simple du remodelage chromatinien au niveau de la spermiogenèse animale, on s’assurerait ainsi d’un outil beaucoup plus malléable et versatile pour l’étude fondamentale des événements survenant lors de la spermiogenèse humaine.

Caractérisation de la sous-unité bêta du translocon chez la levure Schizosaccharomyces pombe

La sécrétion des protéines est un processus essentiel à la vie. Chez les eucaryotes, les protéines sécrétées transitent dans le réticulum endoplasmique par le pore de translocation. Le translocon est composé de trois sous-unités fondamentales nommées Sec61α, β et γ chez les mammifères, ou Sec61p, Sbh1p et Sss1p chez les levures. Tandis que le rôle des sous-unités α et γ est bien connu, celui de la sous-unité β demeure énigmatique. Plusieurs phénotypes distincts sont associés à cette protéine dans différents organismes, mais le haut niveau de conservation de séquence suggère plutôt une fonction universelle conservée. Récemment, Feng et al. (2007) ont montré que le domaine transmembranaire (TMD) de Sbh1p était suffisant pour complémenter plusieurs phénotypes associés à la délétion du gène chez Saccharomyces cerevisiae, suggérant un rôle important de cette région. L’objectif de mon projet de recherche consiste à étudier la fonction biologique de la sous-unité β du translocon et de son TMD chez Schizosaccharomyces pombe. Dans cette levure, j’ai découvert que le gène sbh1+ n’était pas essentiel à la viabilité à 30oC, mais qu’il était requis pour la croissance à basse température. La délétion de sbh1+ entraîne une sensibilité aux stress de la paroi cellulaire et une diminution de la sécrétion des protéines à 23oC. La surexpression de Sbh1p diminue elle aussi la sécrétion des protéines et altère la morphologie cellulaire. Ces phénotypes sont distincts de ceux observés chez S. cerevisiae, où la délétion des deux paralogues de Sec61β entraîne une sensibilité à haute température plutôt qu’à basse température. Malgré cela, les homologues de Sec61β de S. pombe et de S. cerevisiae sont tout deux capables de complémenter la thermosensibilité respective de chaque levure. La complémentation est possible même avec l’homologue humain de Sec61β, indiquant la conservation d’une fonction de Sec61β de la levure à l’homme. Remarquablement, le TMD de Sec61β de S. pombe, de S. cerevisiae et de l’humain sont suffisants pour complémenter la délétion génomique autant chez la levure à fission que chez la levure à bourgeons. Globalement, ces observations indiquent que le TMD de Sec61β exerce une fonction cellulaire conservée à travers les espèces.

Le vieillissement chronologique de Schizosaccharomyces pombe : Implication des voies de détection du glucose

La première augmentation de la longévité en laboratoire fût observée à la suite d’une intervention nutritionnelle consistant en une réduction de l’apport alimentaire chez le rat. Plus tard, ce phénomène a été reproduit dans de très nombreuses espèces et référé en tant que restriction calorique. Le développement des techniques de biologie moléculaire moderne a permis de montrer dans des organismes modèles simples que cette flexibilité du processus de vieillissement était régulée par des facteurs génétiques. De fait, plusieurs mécanismes cellulaires ont alors pu être identifiés comme responsables de ce contrôle du vieillissement. Ces voies de régulation ont révélées être conservées entre les espèces, depuis les levures jusqu’aux organismes multicellulaires tels que le nématode, la mouche ou la souris, suggérant l’existence d’un programme universel de vieillissement dans le vivant. La levure s’est avéré à plusieurs reprises être un modèle puissant et fiable pour la découverte de gènes impliqués dans ce phénomène. Mon étude a consisté au développement d’un nouveau modèle unicellulaire d’étude du vieillissement à travers l’espèce Schizosaccharomyces pombe appelée aussi levure à fission. La première étape de mon travail a montré que les voies de détection des nutriments gouvernées par la sérine/thréonine protéine kinase A (Pka1) et la sérine/thréonine kinase Sck2 contrôlent le vieillissement chronologique de ces cellules comme il était connu dans la levure Saccharomyces cerevisiae. Ceci permit de valider l’utilisation de la levure à fission pour l’étude du vieillissement. Ensuite, nous avons analysé plus en détail l’effet pro-vieillissement du glucose en étudiant le rôle de sa détection par le récepteur membranaire Git3 couplé à la protéine G (Gpa2) en amont de la kinase Pka1. La perte du signal du glucose par la délétion de Git3 imite partiellement l’effet d’augmentation de longévité obtenu par baisse de la concentration en glucose dans le milieu. De plus, l’effet néfaste du signal du glucose est maintenu en absence de tout métabolisme du glucose suite à la mutation des hexokinases, premières enzymes de la glycolyse. L’ensemble de ces résultats suggèrent que la signalisation du glucose est prédominante sur son métabolisme pour son effet pro-vieillissement. D’autre part, à la fois la suppression de cette signalisation et la baisse de niveau de glucose disponible allongent la durée de vie en corrélation avec une augmentation de la résistance au stress, une hausse d’activité mitochondriale et une baisse de production de radicaux libres. Finalement, le criblage d’une banque de surexpression d’ADNc a permis d’identifier plusieurs gènes candidats responsables de ces effets en aval de la voie de signalisation Git3/PKA. La recherche sur les mécanismes moléculaires du vieillissement propose une nouvelle approche, un nouvel angle de vue, pour la compréhension des fonctions cellulaires et promet d’apporter de précieuses clefs pour mieux comprendre certaines maladies. En effet, le vieillissement est la première cause d’apparition de nombreuses affections comme les cancers, les maladies cardiovasculaires et métaboliques ou les maladies neurodégénératives tels que les syndromes d’Alzheimer et de Parkinson.

Caractérisation moléculaire et fonctionnelle de Cif1p, une protéine orpheline impliquée dans le phénomène épigénétique de viabilité de la levure S. pombe en absence de la chaperone calnexine.

Le repliement des protéines est un processus cellulaire crucial impliquant plusieurs protéines dont la calnexine, une chaperone du réticulum endoplasmique. Notre laboratoire et un autre groupe avons démontré que la calnexine est essentielle à la viabilité de la levure Schizosaccharomyces pombe. Dans le cadre d’études structure-fonction portant sur cette protéine, nous avons découvert un phénomène permettant la viabilité des cellules en absence de la calnexine. Cet état, nommé Cin pour calnexine independence, est induit par un mutant de la calnexine dépourvu du domaine central hautement conservé (Δhcd_Cnx1p). La caractérisation de l’état Cin a révélé plusieurs caractéristiques particulières telle la dominance, sa transmission de façon non-Mendélienne à la progéniture méïotique et sa transmission par des extraits protéiques dépourvus d’acides nucléiques. Toutes ces propriétés suggèrent donc que l’état Cin est médié via un élément de type prion. Le gène cif1+, pour calnexin independence factor, a été isolé lors de criblages visant à identifier des gènes impliqués dans l’état Cin. Il encode pour une protéine orpheline dont la surexpression induit de façon stable un état de viabilité en l’absence de la calnexine. Cet état diffère génétiquement et phénotypiquement de l’état Cin induit par le mutant Δhcd_Cnx1p préalablement caractérisé, ce qui suggère deux voies parallèles de signalisation du phénomène Cin. Une caractérisation exhaustive de Cif1p a permis de démontrer qu’il ne s’agissait pas du prion responsable de l’état Cin, malgré que cette protéine possède certaines propriétés typiques des prions in vitro. Finalement, Cif1p est une protéine nucléolaire dont la bonne localisation est essentielle à sa capacité à induire l’état Cin. Ceci suggère une interaction entre la fonction essentielle de la calnexine et une fonction exécutée dans le nucléole. Lors d’études visant à élucider la fonction cellulaire de Cif1p, il a été établi qu’elle interagissait avec certaines protéines de la grosse sous-unité du ribosome telle la protéine L3. Cependant, Cif1p ne co-sédimente pas avec des sous-unités ribosomales assemblées, des ribosomes ou des polysomes. De plus, des cellules contenant une délétion génomique de cif1 voient leur contenu en ribosomes perturbé lors de la phase stationnaire. Il semble donc que Cif1p joue un rôle dans la biosynthèse des ribosomes lors de la phase stationnaire. Ce rôle spécifique à cette phase de croissance coincide avec un clivage de la portion N-terminale de Cif1p, clivage qui a lieu lors de l’entrée des cellules en phase stationnaire. De plus, des études effectuées récemment dans notre laboratoire proposent que la calnexine joue un rôle important dans la signalisation de l’apoptose, et ce particulièrement en phase stationnaire. Ainsi, une voie impliquant Cif1p, sa fonction nucléolaire dans la biosynthèse des ribosomes en phase stationnaire, la calnexine et la médiation de l’apoptose semble se dessiner. D’autres travaux, notamment sur la fonction exacte de Cif1p, le rôle de son clivage et les autres composantes impliquées dans le phénomène Cin nous permettront de dessiner un portrait plus complet de cette voie cellulaire inédite.

A fission yeast homolog of Int-6, the mammalian oncoprotein and eIF3 subunit, induces drug resistance when overexpressed

Through a screen to identify genes that induce multi-drug resistance when overexpressed, we have identified a fission yeast homolog of Int-6, a component of the human translation initiation factor eIF3. Disruption of the murine Int-6 gene by mouse mammary tumor virus (MMTV) has been implicated previously in tumorigenesis, although the underlying mechanism is not yet understood. Fission yeast Int6 was shown to interact with other presumptive components of eIF3 in vivo, and was present in size fractions consistent with its incorporation into a 43S translation preinitiation complex. Drug resistance induced by Int6 overexpression was dependent on the AP-1 transcription factor Pap1, and was associated with increased abundance of Pap1-responsive mRNAs, but not with Pap1 relocalization. Fission yeast cells lacking the int6 gene grew slowly. This growth retardation could be corrected by the expression of full length Int6 of fission yeast or human origin, or by a C-terminal fragment of the fission yeast protein that also conferred drug resistance, but not by truncated human Int-6 proteins corresponding to the predicted products of MMTV-disrupted murine alleles. Studies in fission yeast may therefore help to explain the ways in which Int-6 function can be perturbed during MMTV-induced mammary tumorigenesis.

Computational model of membrane fission catalyzed by ESCRT-III

ESCRT-III proteins catalyze membrane fission during multi vesicular body biogenesis, budding of some enveloped viruses and cell division. We suggest and analyze a novel mechanism of membrane fission by the mammalian ESCRT-III subunits CHMP2 and CHMP3. We propose that the CHMP2-CHMP3 complexes self-assemble into hemi-spherical dome-like structures within the necks of the initial membrane buds generated by CHMP4 filaments. The dome formation is accompanied by the membrane attachment to the dome surface, which drives narrowing of the membrane neck and accumulation of the elastic stresses leading, ultimately, to the neck fission. Based on the bending elastic model of lipid bilayers, we determine the degree of the membrane attachment to the dome enabling the neck fission and compute the required values of the protein-membrane binding energy. We estimate the feasible values of this energy and predict a high efficiency for the CHMP2-CHMP3 complexes in mediating membrane fission. We support the computational model by electron tomography imaging of CHMP2-CHMP3 assemblies in vitro. We predict a high efficiency for the CHMP2-CHMP3 complexes in mediating membrane fission.

Highly efficient spin-conversion effect leading to energy up-converted electroluminescence in singlet fission photovoltaics

Free charge generation in donor-acceptor (D-A) based organic photovoltaic diodes (OPV) progresses through formation of charge-transfer (CT) and charge-separated (CS) states and excitation decay to the triplet level is considered as a terminal loss. On the other hand a direct excitation decay to the triplet state is beneficial for multiexciton harvesting in singlet fission photovoltaics (SF-PV) and the formation of CT-state is considered as a limiting factor for multiple triplet harvesting. These two extremes when present in a D-A system are expected to provide important insights into the mechanism of free charge generation and spin-character of bimolecular recombination in OPVs. Herein, we present the complete cycle of events linked to spin conversion in the model OPV system of rubrene/C60. By tracking the spectral evolution of photocurrent generation at short-circuit and close to open-circuit conditions we are able to capture spectral changes to photocurrent that reveal the triplet character of CT-state. Furthermore, we unveil an energy up-conversion effect that sets in as a consequence of triplet population build-up where triplet-triplet annihilation (TTA) process effectively regenerates the singlet excitation. This detailed balance is shown to enable a rare event of photon emission just above the open-circuit voltage (VOC) in OPVs.

Group fission in Nilgiri langurs (Presbytis johnii)

During a field study on habituated groups of wild Nilgiri langurs (Presbytis johnii), four cases of group fission were observed which differed markedly from group changes reported in other species of the same genus. All fissions occurred in groups with more than one mature male and roughly coincided with the onset of loud call vocalization by the second mature male group member. As a result of the fission the founder group factions acquired the structure of a onemale group. The filial factions consisted of both mature males and females and occupied, at least temporarily, a part of, or an area adjacent to, the founder group. During fission, the amount of aggressive interactions between the two mature males increased. However, the majority of agonistic interactions involved ritualized threat and intimidation behavior without physical aggression. In at least three cases the two mature males involved in the fission had not joined recently but had lived in these groups for three years or more. Although the presence of all male bands and single males in the two study populations indicate that male replacement by invasive takeovers may occur, it is suggested that in Nilgiri langurs, noninvasive fissions are probably another common mechanism for the foundation and maintenance of bisexual one-male groups.

Splicing Functions and Global Dependency on Fission Yeast Slu7 Reveal Diversity in Spliceosome Assembly

The multiple short introns in Schizosaccharomyces pombe genes with degenerate cis sequences and atypically positioned polypyrimidine tracts make an interesting model to investigate canonical and alternative roles for conserved splicing factors. Here we report functions and interactions of the S. pombe slu7(+) (spslu7(+)) gene product, known from Saccharomyces cerevisiae and human in vitro reactions to assemble into spliceosomes after the first catalytic reaction and to dictate 3' splice site choice during the second reaction. By using a missense mutant of this essential S. pombe factor, we detected a range of global splicing derangements that were validated in assays for the splicing status of diverse candidate introns. We ascribe widespread, intron-specific SpSlu7 functions and have deduced several features, including the branch nucleotide-to-3' splice site distance, intron length, and the impact of its A/U content at the 5' end on the intron's dependence on SpSlu7. The data imply dynamic substrate-splicing factor relationships in multiintron transcripts. Interestingly, the unexpected early splicing arrest in spslu7-2 revealed a role before catalysis. We detected a salt-stable association with U5 snRNP and observed genetic interactions with spprp1(+), a homolog of human U5-102k factor. These observations together point to an altered recruitment and dependence on SpSlu7, suggesting its role in facilitating transitions that promote catalysis, and highlight the diversity in spliceosome assembly.

Splicing Functions and Global Dependency on Fission Yeast Slu7 Reveal Diversity in Spliceosome Assembly

The multiple short introns in Schizosaccharomyces pombe genes with degenerate cis sequences and atypically positioned polypyrimidine tracts make an interesting model to investigate canonical and alternative roles for conserved splicing factors. Here we report functions and interactions of the S. pombe slu7(+) (spslu7(+)) gene product, known from Saccharomyces cerevisiae and human in vitro reactions to assemble into spliceosomes after the first catalytic reaction and to dictate 3' splice site choice during the second reaction. By using a missense mutant of this essential S. pombe factor, we detected a range of global splicing derangements that were validated in assays for the splicing status of diverse candidate introns. We ascribe widespread, intron-specific SpSlu7 functions and have deduced several features, including the branch nucleotide-to-3' splice site distance, intron length, and the impact of its A/U content at the 5' end on the intron's dependence on SpSlu7. The data imply dynamic substrate-splicing factor relationships in multiintron transcripts. Interestingly, the unexpected early splicing arrest in spslu7-2 revealed a role before catalysis. We detected a salt-stable association with U5 snRNP and observed genetic interactions with spprp1(+), a homolog of human U5-102k factor. These observations together point to an altered recruitment and dependence on SpSlu7, suggesting its role in facilitating transitions that promote catalysis, and highlight the diversity in spliceosome assembly.

Repeat-Associated Fission Yeast-Like Regional Centromeres in the Ascomycetous Budding Yeast Candida tropicalis

The centromere, on which kinetochore proteins assemble, ensures precise chromosome segregation. Centromeres are largely specified by the histone H3 variant CENP-A (also known as Cse4 in yeasts). Structurally, centromere DNA sequences are highly diverse in nature. However, the evolutionary consequence of these structural diversities on de novo CENP-A chromatin formation remains elusive. Here, we report the identification of centromeres, as the binding sites of four evolutionarily conserved kinetochore proteins, in the human pathogenic budding yeast Candida tropicalis. Each of the seven centromeres comprises a 2 to 5 kb non-repetitive mid core flanked by 2 to 5 kb inverted repeats. The repeat-associated centromeres of C. tropicalis all share a high degree of sequence conservation with each other and are strikingly diverged from the unique and mostly non-repetitive centromeres of related Candida species-Candida albicans, Candida dubliniensis, and Candida lusitaniae. Using a plasmid-based assay, we further demonstrate that pericentric inverted repeats and the underlying DNA sequence provide a structural determinant in CENP-A recruitment in C. tropicalis, as opposed to epigenetically regulated CENP-A loading at centromeres in C. albicans. Thus, the centromere structure and its influence on de novo CENP-A recruitment has been significantly rewired in closely related Candida species. Strikingly, the centromere structural properties along with role of pericentric repeats in de novo CENP-A loading in C. tropicalis are more reminiscent to those of the distantly related fission yeast Schizosaccharomyces pombe. Taken together, we demonstrate, for the first time, fission yeast-like repeat-associated centromeres in an ascomycetous budding yeast.

Fission of solitary wave in stratified fluid

In this paper, we study the fission of a solitary wave in the stratified fluid with a free surface. It has been discovered that there is no difference between the fissions of the internal solitary waves in odd or even modes, and the effect of the stratification on the fission of a surface solitary wave can almost be neglected

Duplication-degeneration as a mechanism of gene fission and the origin of new genes in Drosophila species

Gene fission and fusion, the processes by which a single gene is split into two separate genes and two adjacent genes are fused into a single gene, respectively, are among the primary processes that generate new genes(1-4). Despite their seeming reversibi