Prospects for bio-molecular control using femtosecond transients parametrised in the wavelet domain [poster]

We discuss the parametrisation of am-plitude and phase genes corre-sponding to space encoded femto-second transients in the wavelet domain. Differential evolution is used to improve the speed of con-vergence of the genetic algorithm. We discuss prospects of bio-molecular control using such methodology.

Molecular control of cardiac sodium homeostasis in health and disease.

INTRODUCTION Cardiac myocytes utilize three high-capacity Na transport processes whose precise function can determine myocyte fate and the triggering of arrhythmias in pathological settings. We present recent results on the regulation of all three transporters that may be important for an understanding of cardiac function during ischemia/reperfusion episodes. METHODS AND RESULTS Refined ion selective electrode (ISE) techniques and giant patch methods were used to analyze the function of cardiac Na/K pumps, Na/Ca exchange (NCX1), and Na/H exchange (NHE1) in excised cardiac patches and intact myocytes. To consider results cohesively, simulations were developed that account for electroneutrality of the cytoplasm, ion homeostasis, water homeostasis (i.e., cell volume), and cytoplasmic pH. The Na/K pump determines the average life-time of Na ions (3-10 minutes) as well as K ions (>30 minutes) in the cytoplasm. The long time course of K homeostasis can determine the time course of myocyte volume changes after ion homeostasis is perturbed. In excised patches, cardiac Na/K pumps turn on slowly (-30 seconds) with millimolar ATP dependence, when activated for the first time. In steady state, however, pumps are fully active with <0.2 mM ATP and are nearly unaffected by high ADP (2 mM) and Pi (10 mM) concentrations as may occur in ischemia. NCX1s appear to operate with slippage that contributes to background Na influx and inward current in heart. Thus, myocyte Na levels may be regulated by the inactivation reactions of the exchanger which are both Na- and proton-dependent. NHE1 also undergo strong Na-dependent inactivation, whereby a brief rise of cytoplasmic Na can cause inactivation that persists for many minutes after cytoplasmic Na is removed. This mechanism is blocked by pertussis toxin, suggesting involvement of a Na-dependent G-protein. Given that maximal NCX1- and NHE1-mediated ion fluxes are much greater than maximal Na/K pump-mediated Na extrusion in myocytes, the Na-dependent inactivation mechanisms of NCX1 and NHE1 may be important determinants of cardiac Na homeostasis. CONCLUSIONS Na/K pumps appear to be optimized to continue operation when energy reserves are compromised. Both NCX1 and NHE1 activities are regulated by accumulation of cytoplasmic Na. These principles may importantly control cardiac cytoplasmic Na and promote myocyte survival during ischemia/reperfusion episodes by preventing Ca overload.

Molecular control of vertebrate iron metabolism: mRNA-based regulatory circuits operated by iron, nitric oxide, and oxidative stress.

As an essential nutrient and a potential toxin, iron poses an exquisite regulatory problem in biology and medicine. At the cellular level, the basic molecular framework for the regulation of iron uptake, storage, and utilization has been defined. Two cytoplasmic RNA-binding proteins, iron-regulatory protein-1 (IRP-1) and IRP-2, respond to changes in cellular iron availability and coordinate the expression of mRNAs that harbor IRP-binding sites, iron-responsive elements (IREs). Nitric oxide (NO) and oxidative stress in the form of H2O2 also signal to IRPs and thereby influence cellular iron metabolism. The recent discovery of two IRE-regulated mRNAs encoding enzymes of the mitochondrial citric acid cycle may represent the beginnings of elucidating regulatory coupling between iron and energy metabolism. In addition to providing insights into the regulation of iron metabolism and its connections with other cellular pathways, the IRE/IRP system has emerged as a prime example for the understanding of translational regulation and mRNA stability control. Finally, IRP-1 has highlighted an unexpected role for iron sulfur clusters as post-translational regulatory switches.

Molecular control of cell type diversity in the developing spinal cord

1, During embryonic development, a diverse array of neurons and glia are generated at specific positions along the dorsoventral and rostro-caudal axes of the spinal cord from a common pool of precursor cells. 2. This cell type diversity can be distinguished by the spatially and temporally coordinated expression of several transcription factors that are also linked to cell type specification at a very early stage of spinal cord development. 3, Recent studies have started to uncover that the generation of cell type diversity in the developing spinal cord. Moreover, distinct cell types in the spinal cord appear to be determined by the spatially and temporally coordinated expression of transcription factors. 4. The expression of these factors also appears to be controlled by gradients of factors expressed by ventral and dorsal midline cells, namely Sonic hedgehog and members of the transforming growth factor-beta family. 5, Changes in the competence of precursor cells and local cell interactions may also play important roles in cell type specification within the developing spinal cord.

Body composition and appetite : fat-free mass (but not fat mass or BMI) is positively associated with self-determined meal size and daily energy intake in humans

The idea of body weight regulation implies that a biological mechanism exerts control over energy expenditure and food intake. This is a central tenet of energy homeostasis. However, the source and identity of the controlling mechanism have not been identified, although it is often presumed to be some long-acting signal related to body fat, such as leptin. Using a comprehensive experimental platform, we have investigated the relationship between biological and behavioural variables in two separate studies over a 12-week intervention period in obese adults (total n 92). All variables have been measured objectively and with a similar degree of scientific control and precision, including anthropometric factors, body composition, RMR and accumulative energy consumed at individual meals across the whole day. Results showed that meal size and daily energy intake (EI) were significantly correlated with fat-free mass (FFM, P values ,0·02–0·05) but not with fat mass (FM) or BMI (P values 0·11–0·45) (study 1, n 58). In study 2 (n 34), FFM (but not FM or BMI) predicted meal size and daily EI under two distinct dietary conditions (high-fat and low-fat). These data appear to indicate that, under these circumstances, some signal associated with lean mass (but not FM) exerts a determining effect over self-selected food consumption. This signal may be postulated to interact with a separate class of signals generated by FM. This finding may have implications for investigations of the molecular control of food intake and body weight and for the management of obesity.

Étude du rôle des gènes TGF-β1 et HSP-70 lors du processus de régénération du membre chez l’axolotl

Les urodèles amphibiens, dont fait partie l’axolotl (Ambystoma mexicanum), ont la capacité de régénérer leurs organes et membres suite à une amputation, tout au long de leur vie. La patte est l’organe dont le processus de régénération est le mieux caractérisé et ce dernier est divisé en deux phases principales. La première est la phase de préparation et commence immédiatement suite à l’amputation. Elle renferme des étapes essentielles au processus de régénération comme la guérison de la plaie et la formation d’une coiffe apicale ectodermique. Par la suite, les fibroblastes du derme et certaines cellules musculaires vont revenir à un état pluripotent via un processus appelé dédifférenciation cellulaire. Une fois dédifférenciées, ces cellules migrent et s’accumulent sous la coiffe apicale pour former le blastème. Lors de la phase de redéveloppement, les cellules du blastème se divisent puis se redifférencient pour régénérer la partie amputée. Fait intéressant, la régénération d’un membre ou la guérison d’une plaie chez l’axolotl ne mène jamais à la formation d’une cicatrice. Afin d’en apprendre plus sur le contrôle moléculaire de la régénération, les gènes Heat-shock protein-70 (Hsp-70) et Transforming growth factor-β1 (Tgf-β1) ont été sélectionnés. Ces gènes jouent un rôle important dans la réponse au stress et lors de la guérison des plaies chez les mammifères. HSP-70 est une chaperonne moléculaire qui est produite pour maintenir l’intégrité des protéines cellulaires lorsqu’un stress se présente. TGF-β1 est une cytokine produite suite à une blessure qui active la réponse inflammatoire et qui stimule la fermeture de la plaie chez les amniotes. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que Hsp-70 est exprimé et régulé lors du développement et de la régénération du membre chez l’axolotl. D’autre part, nos expériences ont mené à l’isolation de la séquence codante pour Tgf-β1 chez l’axolotl. Nos résultats montrent que Tgf-β1 est exprimé spécifiquement lors de la phase de préparation dans le membre en régénération. De plus, le blocage de la voie des Tgf-β avec l’inhibiteur pharmacologique SB-431542, lors de la régénération, mène à l’inhibition du processus. Ceci démontre que la signalisation via la voie des Tgf-β est essentielle à la régénération du membre chez l’axolotl.

Analyse fonctionnelle du gène BMP-2 lors de la régénération du membre chez l’axolotl

Les amphibiens urodèles (e.g. les axolotls) possèdent la remarquable capacité de régénérer plusieurs parties de leur corps. Ils peuvent, entre autres, régénérer parfaitement un membre amputé par épimorphose, un processus biphasique comprenant une phase de préparation, spécifique à la régénération, et une phase de redéveloppement, commune à l’épimorphose et au développement embryonnaire. Durant la phase de préparation, les cellules du moignon se dédifférencient en cellules pseudo-embryonnaires, prolifèrent et migrent distalement au plan d’amputation pour former un blastème de régénération. Parmi les vertébrés, la dédifférenciation est unique aux urodèles. Afin de mieux comprendre le contrôle moléculaire de la régénération chez les urodèles, nous avons choisi d’étudier BMP-2, un facteur de croissance, en raison de son implication dans la régénération des phalanges distales chez les mammifères. Le facteur de transcription MSX-1 a également été sélectionné en raison de sa capacité à induire la dédifférenciation cellulaire in vitro et de son interaction potentielle avec la signalisation des BMPs. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que BMP-2 et MSX-1 sont exprimés lors des phases de préparation et de redéveloppement de l’épimorphose, et que leur profil d'expression spatio-temporel est très semblable, ce qui suggère une interaction de leurs signaux. En outre, chez les tétrapodes amniotes, l’expression de Shh est restreinte au mésenchyme postérieur des membres en développement et chevauche l’expression de BMP-2. Toutefois, l’expression de BMP-2 n’est pas restreinte à la région postérieure mais forme un gradient postéro-antérieur. Shh est le principal régulateur de la formation du patron de développement antéro-postérieur du ii membre. Étant donné les domaines d’expression chevauchants de BMP-2 et Shh et la restriction postérieure d’expression de Shh, on croit que Shh régule la formation du patron de développement de postérieur à antérieur par l’activation de l’expression de BMP-2. Fait intéressant, l’axolotl exprime également Shh dans la région postérieure, mais le développement des pattes se fait de la région antérieure à la région postérieure au lieu de postérieur à antérieur comme chez les autres tétrapodes, et ceci durant le développement et la régénération. Nous avons utilisé cette caractéristique de l’axolotl pour démontrer que la signalisation Shh ne structure pas l’autopode via BMP-2. En effet, l’expression de BMP-2 n'est pas régulée par l'inhibition de la signalisation Shh, et son expression est du côté opposé à celle de Shh durant le développement et la régénération des pattes de l’axolotl. Il a été observé durant le développement du membre chez la souris que MSX-1 est régulé par la signalisation Shh. Nos résultats ont démontrés que chez l’axolotl, MSX-1 ne semble pas régulé par l'inhibition de la signalisation Shh au cours de la régénération du membre. De plus, nous avons démontré que contrairement à l’expression de Shh, l’expression de BMP-2 est corrélée avec l’ordre de formation des phalanges, est impliquée dans la condensation cellulaire et dans l'apoptose précédant la chondrogenèse. L’ensemble de ces résultats suggère un rôle de BMP-2 dans l’initiation de l’ossification endochondrale. Enfin, nous avons démontré que la signalisation BMP est indispensable pour l’épimorphose du membre durant la phase de redéveloppement.

Caractérisation moléculaire du rôle de Lhx2 dans le développement de l'oeil et du cerveau

Le développement du système nerveux central (SNC) chez les vertébrés est un processus d'une extrême complexité qui nécessite une orchestration moléculaire très précise. Certains gènes exprimés très tôt lors du développement embryonnaire sont d'une importance capitale pour la formation du SNC. Parmi ces gènes, on retrouve le facteur de transcription à Lim homéodomaine Lhx2. Les embryons de souris mutants pour Lhx2 (Lhx2-/-) souffre d'une hypoplasie du cortex cérébral, sont anophtalmiques et ont un foie de volume réduit. Ces embryons mutants meurent in utero au jour embryonnaire 16 (e16) dû à une déficience en érythrocytes matures. L'objectif principal de cette thèse est de caractériser le rôle moléculaire de Lhx2 dans le développement des yeux et du cortex cérébral. Lhx2 fait partie des facteurs de transcription à homéodomaine exprimé dans la portion antérieure de la plaque neurale avec Rx, Pax6, Six3. Le développement de l'oeil débute par une évagination bilatérale de cette région. Nous démontrons que l'expression de Lhx2 est cruciale pour les premières étapes de la formation de l'oeil. En effet, en absence de Lhx2, l'expression de Rx, Six3 et Pax6 est retardée dans la plaque neurale antérieure. Au stade de la formation de la vésicule optique, l'absence de Lhx2 empêche l'activation de Six6 (un facteur de transcription également essentiel au développement de l'œil). Nous démontrons que Lhx2 et Pax6 coopèrent en s'associant au promoteur de Six6 afin de promouvoir sa trans-activation. Donc, Lhx2 est un gène essentiel pour la détermination de l'identité rétinienne au niveau de la plaque neurale. Plus tard, il collabore avec Pax6 pour établir l'identité rétinienne définitive et promouvoir la prolifération cellulaire. De plus, Lhx2 est fortement exprimé dans le télencéphale, région qui donnera naissance au cortex cérébral. L'absence de Lhx2 entraîne une diminution de la prolifération des cellules progénitrices neurales dans cette région à e12.5. Nous démontrons qu'en absence de Lhx2, les cellules progénitrices neurales (cellules de glie radiale) se différencient prématurément en cellules progénitrices intermédiaires et en neurones post-mitotiques. Ces phénotypes sont corrélés à une baisse d'activité de la voie Notch. En absence de Lhx2, DNER (un ligand atypique de la voie Notch) est fortement surexprimé dans le télencéphale. De plus, Lhx2 et des co-répresseurs s'associent à la chromatine de la région promotrice de DNER. Nous concluons que Lhx2 permet l'activation de la voie Notch dans le cortex cérébral en développement en inhibant la transcription de DNER, qui est un inhibiteur de la voie Notch dans ce contexte particulier. Lhx2 permet ainsi la maintenance et la prolifération des cellules progénitrices neurales.

The Role of MicroRNA Regulation of Cardiac Ion Channel in Arrhythmia

La fibrillation auriculaire (FA) est le trouble du rythme le plus fréquemment observé en pratique clinique. Elle constitue un risque important de morbi-mortalité. Le traitement de la FA reste un défi majeur en lien avec les nombreux effets secondaires associés aux approches thérapeutiques actuelles. Dans ce contexte, une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents à la FA est essentielle pour le développement de nouvelles thérapies offrant un meilleur rapport bénéfice/risque pour les patients. La FA est caractérisée par i) un remodelage électrique délétère associé le plus souvent ii) à un remodelage structurel du myocarde favorisant la récurrence et le maintien de l’arythmie. La diminution de la période réfractaire effective au sein du tissu auriculaire est un élément clef du remodelage électrique. Le remodelage structurel, quant à lui, se manifeste principalement par une fibrose tissulaire qui altère la propagation de l’influx électrique dans les oreillettes. Les mécanismes moléculaires impliqués dans la mise en place de ces deux substrats restent mal connus. Récemment, le rôle des microARNs (miARNs) a été pointé du doigt dans de nombreuses pathologies notamment cardiaques. Dans ce contexte les objectifs principaux de ce travail ont été i) d'acquérir une compréhension approfondie du rôle des miARNs dans la régulation de l’expression des canaux ioniques et ii) de mieux comprendre le rôle de ces molécules dans l’installation d’un substrat favorable a la FA. Nous avons, dans un premier temps, effectué une analyse bio-informatique combinée à des approches expérimentales spécifiques afin d’identifier clairement les miARNs démontrant un fort potentiel de régulation des gènes codant pour l’expression des canaux ioniques cardiaques humains. Nous avons identifié un nombre limité de miARNs cardiaques qui possédaient ces propriétés. Sur la base de ces résultats, nous avons démontré que l’altération de l'expression des canaux ioniques, observée dans diverse maladies cardiaques (par exemple, les cardiomyopathies, l’ischémie myocardique, et la fibrillation auriculaire), peut être soumise à ces miARNs suggérant leur implication dans l’arythmogénèse. La régulation du courant potassique IK1 est un facteur déterminant du remodelage électrique auriculaire associée à la FA. Les mécanismes moléculaires sous-jacents sont peu connus. Nous avons émis l’hypothèse que l'altération de l’expression des miARNs soit corrélée à l’augmentation de l’expression d’IK1 dans la FA. Nous avons constaté que l’expression de miR-26 est réduite dans la FA et qu’elle régule IK1 en modulant l’expression de sa sous-unité Kir2.1. Nous avons démontré que miR-26 est sous la répression transcriptionnelle du facteur nucléaire des lymphocytes T activés (NFAT) et que l’activité accrue de NFATc3/c4, aboutit à une expression réduite de miR-26. En conséquence IK1 augmente lors de la FA. Nous avons enfin démontré que l’interférence in vivo de miR-26 influence la susceptibilité à la FA en régulant IK1, confirmant le rôle prépondérant de miR-26 dans le remodelage auriculaire électrique. La fibrose auriculaire est un constituant majeur du remodelage structurel associé à la FA, impliquant l'activation des fibroblastes et l’influx cellulaire du Ca2 +. Nous avons cherché à déterminer i) si le canal perméable au Ca2+, TRPC3, jouait un rôle dans la fibrose auriculaire en favorisant l'activation des fibroblastes et ii) étudié le rôle potentiel des miARNs dans ce contexte. Nous avons démontré que les canaux TRPC3 favorisent l’influx du Ca2 +, activant la signalisation Ca2 +-dépendante ERK et en conséquence activent la prolifération des fibroblastes. Nous avons également démontré que l’expression du TRPC3 est augmentée dans la FA et que le blocage in vivo de TRPC3 empêche le développement de substrats reliés à la FA. Nous avons par ailleurs validé que miR-26 régule les canaux TRPC3 en diminuant leur expression dans les fibroblastes. Enfin, nous avons montré que l'expression réduite du miR-26 est également due à l’activité augmentée de NFATc3/c4 dans les fibroblastes, expliquant ainsi l’augmentation de TRPC3 lors de la FA, confirmant la contribution de miR-26 dans le processus de remodelage structurel lié à la FA. En conclusion, nos résultats mettent en évidence l'importance des miARNs dans la régulation des canaux ioniques cardiaques. Notamment, miR-26 joue un rôle important dans le remodelage électrique et structurel associé à la FA et ce, en régulant IK1 et l’expression du canal TRPC3. Notre étude démasque ainsi un mécanisme moléculaire de contrôle de la FA innovateur associant des miARNs. miR-26 en particulier représente apres ces travaux une nouvelle cible thérapeutique prometteuse pour traiter la FA.

A SEPALLATA gene is involved in the development and ripening of strawberry (Fragaria X ananassa Duch.) fruit, a non-climacteric tissue

Climacteric and non-climacteric fruits have traditionally been viewed as representing two distinct programmes of ripening associated with differential respiration and ethylene hormone effects. In climacteric fruits, such as tomato and banana, the ripening process is marked by increased respiration and is induced and co-ordinated by ethylene, while in non-climacteric fruits, such as strawberry and grape, it is controlled by an ethylene-independent process with little change in respiration rate. The two contrasting mechanisms, however, both lead to texture, colour, and flavour changes that probably reflect some common programmes of regulatory control. It has been shown that a SEPALLATA(SEP)4-like gene is necessary for normal ripening in tomato. It has been demonstrated here that silencing a fruit-related SEP1/2-like (FaMADS9) gene in strawberry leads to the inhibition of normal development and ripening in the petal, achene, and receptacle tissues. In addition, analysis of transcriptome profiles reveals pleiotropic effects of FaMADS9 on fruit development and ripening-related gene expression. It is concluded that SEP genes play a central role in the developmental regulation of ripening in both climacteric and non-climacteric fruits. These findings provide important information to extend the molecular control of ripening in a non-climacteric fruit beyond the limited genetic and cultural options currently available.

MEF2C-MYOCD and leiomodin1 suppression by miRNA-214 promotes smooth muscle cell phenotype switching in pulmonary arterial hypertension

Background Vascular hyperproliferative disorders are characterized by excessive smooth muscle cell (SMC) proliferation leading to vessel remodeling and occlusion. In pulmonary arterial hypertension (PAH), SMC phenotype switching from a terminally differentiated contractile to synthetic state is gaining traction as our understanding of the disease progression improves. While maintenance of SMC contractile phenotype is reportedly orchestrated by a MEF2C-myocardin (MYOCD) interplay, little is known regarding molecular control at this nexus. Moreover, the burgeoning interest in microRNAs (miRs) provides the basis for exploring their modulation of MEF2C-MYOCD signaling, and in turn, a pro-proliferative, synthetic SMC phenotype. We hypothesized that suppression of SMC contractile phenotype in pulmonary hypertension is mediated by miR-214 via repression of the MEF2C-MYOCD-leiomodin1 (LMOD1) signaling axis. Methods and Results In SMCs isolated from a PAH patient cohort and commercially obtained hPASMCs exposed to hypoxia, miR-214 expression was monitored by qRT-PCR. miR-214 was upregulated in PAH- vs. control subject hPASMCs as well as in commercially obtained hPASMCs exposed to hypoxia. These increases in miR-214 were paralleled by MEF2C, MYOCD and SMC contractile protein downregulation. Of these, LMOD1 and MEF2C were directly targeted by the miR. Mir-214 overexpression mimicked the PAH profile, downregulating MEF2C and LMOD1. AntagomiR-214 abrogated hypoxia-induced suppression of the contractile phenotype and its attendant proliferation. Anti-miR-214 also restored PAH-PASMCs to a contractile phenotype seen during vascular homeostasis. Conclusions Our findings illustrate a key role for miR-214 in modulation of MEF2C-MYOCD-LMOD1 signaling and suggest that an antagonist of miR-214 could mitigate SMC phenotype changes and proliferation in vascular hyperproliferative disorders including PAH.

Embryo Mitochondrial DNA Depletion Is Reversed During Early Embryogenesis in Cattle

The extensive replication of mitochondria during oogenesis and the wide variability in mitochondrial DNA ( mtDNA) copy numbers present in fully grown oocytes indicate that mtDNA amount may play an important role during early embryogenesis. Using bovine oocytes derived from follicles of different sizes to study the influence of mtDNA content on development, we showed that oocytes obtained from small follicles, known to be less competent in developing into blastocysts, contain less mtDNA than those originating from larger follicles. However, because of the high variability in copy number, a more accurate approach was examined in which parthenogenetic one-cell embryos were biopsied to measure their mtDNA content and then cultured to assess development capacity. Contrasting with previous findings, mtDNA copy number in biopsies was not different between competent and incompetent embryos, indicating that mtDNA content is not related to early developmental competence. To further examine the importance of mtDNA on development, one-cell embryos were partially depleted of their mtDNA (64% +/- 4.1% less) by centrifugation followed by the removal of the mitochondrial-enriched cytoplasmic fraction. Surprisingly, depleted embryos developed normally into blastocysts, which contained mtDNA copy numbers similar to nonmanipulated controls. Development in depleted embryos was accompanied by an increase in the expression of genes (TFAM and NRF1) controlling mtDNA replication and transcription, indicating an intrinsic ability to restore the content of mtDNA at the blastocyst stage. Therefore, we concluded that competent bovine embryos are able to regulate their mtDNA content at the blastocyst stage regardless of the copy numbers accumulated during oogenesis.

Differential expression of myogenic regulatory factor MyoD in pacu skeletal muscle (Piaractus mesopotamicus Holmberg 1887: Serrasalminae, Characidae, Teleostei) during juvenile and adult growth phases

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Dynamic scale theory for characterizing surface morphology of layer-by-layer films of poly(o-methoxyaniline)

The dynamic scale theory and fractal concepts are employed in the characterization of surface morphological properties of layer-by-layer (LBL) films from poly(o-methoxyaniline) (POMA) alternated with poly(vinyl sulfonic acid) (PVS). The fractal dimensions are found to depend on the procedures to fabricate the POMA/PVS multilayers, particularly with regard to the drying procedures. LBL films obtained via drying in ambient air show a more homogeneous surface, compared to films dried under vacuum or a flow of nitrogen, due to a uniform rearrangement of polymer molecules during solvent evaporation.