Production optimization of rotavirus-like particles: a system biology approach

Dissertation presented to obtain a Ph.D. degree in Engineering and Technology Sciences, Systems Biology at the Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa

Recent advances in the epidermal growth factor receptor/ligand system biology on skin homeostasis and keratinocyte stem cell regulation.

The epidermal growth factor (EGF) receptor/ligand system stimulates multiple pathways of signal transduction, and is activated by various extracellular stimuli and inter-receptor crosstalk signaling. Aberrant activation of EGF receptor (EGFR) signaling is found in many tumor cells, and humanized neutralizing antibodies and synthetic small compounds against EGFR are in clinical use today. However, these drugs are known to cause a variety of skin toxicities such as inflammatory rash, skin dryness, and hair abnormalities. These side effects demonstrate the multiple EGFR-dependent homeostatic functions in human skin. The epidermis and hair follicles are self-renewing tissues, and keratinocyte stem cells are crucial for maintaining these homeostasis. A variety of molecules associated with the EGF receptor/ligand system are involved in epidermal homeostasis and hair follicle development, and the modulation of EGFR signaling impacts the behavior of keratinocyte stem cells. Understanding the roles of the EGF receptor/ligand system in skin homeostasis is an emerging issue in dermatology to improve the current therapy for skin disorders, and the EGFR inhibitor-associated skin toxicities. Besides, controlling of keratinocyte stem cells by modulating the EGF receptor/ligand system assures advances in regenerative medicine of the skin. We present an overview of the recent progress in the field of the EGF receptor/ligand system on skin homeostasis and regulation of keratinocyte stem cells.

Identification of novel biomarkers to distinguish polygenic and monogenic dyslipidemia system biology approach

Dyslipidaemia is one of the major cardiovascular risk factors, it can be due to primary causes (i.e. monogenic, characterized by a single gene mutation, or dyslipidaemia of polygenic/environmental causes), or secondary to specific disorders such as obesity, diabetes mellitus or hypothyroidism. Monogenic patients present the most severe phenotype and so they need to be identified in early age so pharmacologic treatment can be implemented to decrease the cardiovascular risk. However the majority of hyperlipidemic patients most likely have a polygenic disease that can be mainly controlled just by the implementation of a healthy lifestyle. Thus, the distinction between monogenic and polygenic dyslipidaemia is important for a prompt diagnosis, cardiovascular risk assessment, counselling and treatment. Besides the already stated biomarkers as LDL, apoB and apoB/apoA-I ratio, other promising (yet, needing further research) biomarkers for clinical differentiation between dyslipidaemias are apoE, sdLDL, apoC-2 and apoC-3. However, none of these biomarkers can explain the complex lipid profile of the majority of these patients.

Hybrid systems biology: application to Escherichia coli

Dissertation presented to obtain a Master degree in Biotechnology

Identification of Novel Immunoregulatory Molecules in Human Thymic Regulatory CD4(+)CD25(+) T Cells by Phage Display

Thymic CD4(+)CD25(+) cells play an important role in immune regulation and are continuously developed in the thymus as an independent lineage. How these cells are generated, what are their multiple pathways of suppressive activity and which are their specific markers are questions that remain unanswered. To identify molecules involved in the function and development of human CD4(+)CD25(+) T regulatory cells we targeted thymic CD4(+)CD25(+) cells by peptide phage display. A phage library containing random peptides was screened ex vivo for binding to human thymic CD4(+)CD25(+) T cells. After four rounds of selection on CD4(+)CD25(+) enriched populations of thymocytes, we sequenced several phage displayed peptides and selected one with identity to the Vitamin D Receptor (VDR). We confirmed the binding of the VDR phage to active Vitamin D in vitro, as well as the higher expression of VDR in CD4(+)CD25(+) cells. We suggest that differential expression of VDR on natural Tregs may be related to the relevance of Vitamin D in function and ontogeny of these cells.

Electron beam induced second-harmonic generation in Er(3+) doped PbO-GeO(2) glasses containing silver nanoparticles

Electron beam induced second harmonic generation (SHG) is studied in Er(3+) doped PbO-GeO(2) glasses containing silver nanoparticles with concentrations that are controlled by the heat-treatment of the samples. The SHG is observed at T = 4.2 K using a p-polarized laser beam at 1064 nm. Enhancement of the SHG is observed in the samples that are submitted to electron beam incidence. The highest value of the nonlinear susceptibility, 2.08 pm/V, is achieved for the sample heat-treated during 72 h and submitted to an electron beam current of 15 nA. The samples that were not exposed to the electron beam present a susceptibility of a parts per thousand 0.5 pm/V.

Cyclic Guanosine Monophosphate Signaling Cascade Mediates Pigment Aggregation in Freshwater Shrimp Chromatophores

The cell signaling cascades that mediate pigment movements in crustacean chromatophores are not yet well established, although Ca(2+) and cyclic nucleotide second messengers are involved. Here, we examine the participation of cyclic guanosine monophosphate (cGMP) in pigment aggregation triggered by red pigment concentrating hormone (RPCH) in the red ovarian chromatophores of freshwater shrimp. In Ca(2+)-containing (5.5 mmol l(-1)) saline, 10 mu mol l(-1) dibutyryl cGMP alone produced complete pigment aggregation with the same time course (approximate to 20 min) and peak velocity (approximate to 17 mu m/min) as 10(-8) mol l(-1) RPCH; however, in Ca(2+)-free saline (9 X 10(-11) mol l(-1) Ca(2+)), db-cGMP was without effect. The soluble guanylyl cyclase (GC-S) activators sodium nitroprusside (SNP, 0.5 mu mol l(-1)) and 3-morpholinosydnonimine (SIN-1, 100 mu mol l(-1)) induced moderate aggregation by themselves (approximate to 35%-40%) but did not affect RPCH-triggered aggregation. The GC-S inhibitors zinc protoporphyrin IX (ZnPP-XI, 30 mu mol l(-1)) and 6-anilino-5,8-quinolinedione (LY83583, 10 mu mol l(-1)) partially inhibited RPCH-triggered aggregation by approximate to 35%. Escherichia coli heat-stable enterotoxin (STa, 1 mu mol l(-1)), a membrane-receptor guanylyl cyclase stimulator, did not induce or affect RPCH-triggered aggregation. We propose that the binding of RPCH to an unknown membrane-receptor type activates a Ca(2+)-dependent signaling cascade coupled via cytosolic guanylyl cyclase and cGMP to protein kinase G-phosphorylated proteins that regulate aggregation-associated, cytoskeletal molecular motor activity. This is a further example of a cGMP signaling cascade mediating the effect of a crustacean X-organ neurosecretory peptide.

Constraint-based modelling of mixed microbial populations: Application to polyhydroxyalkanoates production

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química e Bioquímica

Caractérisation et étude d'un élément régulateur du gène codant pour le récepteur à la vasopressine de type 2

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Pierre et Marie Curie, Paris VI, France

Les effets d’un traitement au corticostérone sur la transmission dopaminergique mésocorticale du rat en période de stress

L’axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien joue un rôle essentiel dans l’adaptation et la réponse au stress. Toutefois, l’hyperactivation de cet axe ou des niveaux chroniquement élevés de glucocorticoïdes (GC) entraînent des conséquences pathologiques. Le système dopaminergique mésocortical, qui se projette dans le cortex préfrontal médian (CPFm), joue un rôle adaptatif en protégeant contre le stress. Jusqu’à présent, les interactions fonctionnelles entre les GC (ex : corticostérone) et le système dopaminergique mésocortical ne sont pas élucidées. Dans ce mémoire, nous avons évalué les effets des GC sur les fonctions dopaminergiques préfrontales en élevant chroniquement, à l’aide de minipompes osmotiques, les niveaux de corticostérone aux concentrations physiologiques maximales (1 mg/kg/h pendant 7 jours). Ce traitement n’a pas modifié significativement, chez les rats stressés ou non, les niveaux post mortem de dopamine et de son métabolite dans le tissu du CPFm. Toutefois, l’évaluation par voltamétrie in vivo des changements de dopamine extracellulaire dans le CPFmv a permis d’observer que la corticostérone augmente significativement la libération de dopamine en réponse à l’exposition à l’odeur de renard et au pincement de la queue. Nos études nous permettent de conclure que la corticostérone potentialise la fonction dopaminergique mésocorticale qui, à son tour, facilite la régulation négative en période de stress.

Plasticité intermodale chez le hamster énucléé à la naissance : Études de la distribution des interneurones CaBPir dans les cortex visuel et auditif primaires.

La période postnatale et l’expérience sensorielle sont critiques pour le développement du système visuel. Les interneurones inhibiteurs exprimant l’acide γ-aminobutyrique (GABA) jouent un rôle important dans le contrôle de l’activité neuronale, le raffinement et le traitement de l’information sensorielle qui parvient au cortex cérébral. Durant le développement, lorsque le cortex cérébral est très susceptible aux influences extrinsèques, le GABA agit dans la formation des périodes critiques de sensibilité ainsi que dans la plasticité dépendante de l’expérience. Ainsi, ce système inhibiteur servirait à ajuster le fonctionnement des aires sensorielles primaires selon les conditions spécifiques d’activité en provenance du milieu, des afférences corticales (thalamiques et autres) et de l’expérience sensorielle. Certaines études montrent que des différences dans la densité et la distribution de ces neurones inhibiteurs corticaux reflètent les caractéristiques fonctionnelles distinctes entre les différentes aires corticales. La Parvalbumine (PV), la Calretinine (CR) et la Calbindine (CB) sont des protéines chélatrices du calcium (calcium binding proteins ou CaBPs) localisées dans différentes sous-populations d’interneurones GABAergiques corticaux. Ces protéines tamponnent le calcium intracellulaire de sorte qu’elles peuvent moduler différemment plusieurs fonctions neuronales, notamment l’aspect temporel des potentiels d’action, la transmission synaptique et la potentialisation à long terme. Plusieurs études récentes montrent que les interneurones immunoréactifs (ir) aux CaBPs sont également très sensibles à l’expérience et à l’activité sensorielle durant le développement et chez l’adulte. Ainsi, ces neurones pourraient avoir un rôle crucial à jouer dans le phénomène de compensation ou de plasticité intermodale entre les cortex sensoriels primaires. Chez le hamster (Mesocricetus auratus), l’énucléation à la naissance fait en sorte que le cortex visuel primaire peut être recruté par les autres modalités sensorielles, telles que le toucher et l’audition. Suite à cette privation oculaire, il y a établissement de projections ectopiques permanentes entre les collicules inférieurs (CI) et le corps genouillé latéral (CGL). Ceci a pour effet d’acheminer l’information auditive vers le cortex visuel primaire (V1) durant le développement postnatal. À l’aide de ce modèle, l’objectif général de ce projet de thèse est d’étudier l’influence et le rôle de l’activité sensorielle sur la distribution et l’organisation des interneurones corticaux immunoréactifs aux CaBPs dans les aires sensorielles visuelle et auditive primaires du hamster adulte. Les changements dans l’expression des CaBPs ont été déterminés d’une manière quantitative en évaluant les profils de distribution laminaire de ces neurones révélés par immunohistochimie. Dans une première expérience, nous avons étudié la distribution laminaire des CaBPs dans les aires visuelle (V1) et auditive (A1) primaires chez le hamster normal adulte. Les neurones immunoréactifs à la PV et la CB, mais non à la CR, sont distribués différemment dans ces deux cortex primaires dédiés à une modalité sensorielle différente. Dans une deuxième étude, une comparaison a été effectuée entre des animaux contrôles et des hamsters énucléés à la naissance. Cette étude montre que le cortex visuel primaire de ces animaux adopte une chimioarchitecture en PV similaire à celle du cortex auditif. Nos recherches montrent donc qu’une suppression de l’activité visuelle à la naissance peut influencer l’expression des CaBPs dans l’aire V1 du hamster adulte. Ceci suggère également que le type d’activité des afférences en provenance d’autres modalités sensorielles peut moduler, en partie, une circuiterie corticale en CaBPs qui lui est propre dans le cortex hôte ou recruté. Ainsi, nos travaux appuient l’hypothèse selon laquelle il serait possible que certaines de ces sous-populations d’interneurones GABAergiques jouent un rôle crucial dans le phénomène de la plasticité intermodale.

Étude du rôle spécifique du système à deux composantes PhoBR et du système Pst (phosphate specific transport) dans la virulence d’une souche pathogène aviaire de Escherichia coli (APEC)

Les souches d’Escherichia coli pathogènes aviaires (APEC) sont responsables d’infections respiratoires et de septicémies chez la volaille. Le régulon Pho est contrôlé conjointement par le système à deux composantes PhoBR et par le système de transport spécifique du phosphate (Pst). Afin de déterminer l’implication de PhoBR et du système Pst dans la pathogenèse de la souche APEC O78 χ7122, différentes souche mutantes phoBR et pst ont été testées pour divers traits de virulence in vivo et in vitro. Les mutations menant à l’activation constitutive du régulon Pho rendaient les souches plus sensibles au peroxyde d’hydrogène et au sérum de lapin comparativement à la souche sauvage. De plus, l’expression des fimbriae de type 1 était affectée chez ces souches. L’ensemble des mutants Pho-constitutifs étaient aussi significativement moins virulents que la souche sauvage dans un modèle de coinfection de poulet, incluant les souches avec un système Pst fonctionnel. De plus, l’inactivation du régulateur PhoB chez un mutant Pst restaure la virulence. Par ailleurs, l’inactivation de PhoB n’affecte pas la virulence de la souche χ7122 dans notre modèle. De manière intéressante, le degré d’atténuation des souches mutantes corrèle directement avec le niveau d’activation du régulon Pho. Globalement, les résultats indiquent que l’activation du régulon Pho plutôt que le transport du phosphate via le système Pst joue un rôle majeur dans l’atténuation des APEC.

Étude du rôle de Pax6 dans la gliogenèse

Les astrocytes sont des cellules gliales présentes dans le système nerveux central, qui exercent de nombreuses fonctions physiologiques essentielles et sont impliquées dans la réponse aux lésions et dans plusieurs pathologies du cerveau. Les astrocytes sont générés par les cellules de la glie radiale, les précurseurs communs de la plupart des cellules neuronales et gliales du cerveau, après le début de la production des neurones. Le passage de la neurogenèse à la gliogenèse est le résultat de mécanismes moléculaires complexes induits par des signaux intrinsèques et extrinsèques responsables du changement de propriété des précurseurs et de leur spécification. Le gène Pax6 code pour un facteur de transcription hautement conservé, impliqué dans plusieurs aspects du développement du système nerveux central, tels que la régionalisation et la neurogenèse. Il est exprimé à partir des stades les plus précoces dans les cellules neuroépithéliales (les cellules souches neurales) et dans la glie radiale, dérivant de la différenciation de ces cellules. L’objectif de cette étude est d’analyser le rôle de Pax6 dans la différenciation et dans le développement des astrocytes. À travers l’utilisation d’un modèle murin mutant nul pour Pax6, nous avons obtenu des résultats suggérant que la suppression de ce gène cause l'augmentation de la prolifération et de la capacité d'auto-renouvellement des cellules souches neurales embryonnaires. In vitro, les cellules mutantes prolifèrent de façon aberrante et sous-expriment les gènes p57Kip2, p16Ink4a, p19Arf et p21Cip1, qui inhibent la progression du le cycle cellulaire. De plus, Pax6 promeut la différenciation astrocytaire des cellules souches neurales embryonnaires et est requis pour la différenciation des astrocytes dans la moëlle épinière. Les mutants nuls pour Pax6 meurent après la naissance à cause de graves défauts développementaux dus aux fonctions essentielles de ce gène dans le développement embryonnaire de plusieurs organes. En utilisant un modèle murin conditionnel basé sur le système CRE/ loxP (hGFAP-CRE/ Pax6flox/flox) qui présente l’inactivation de Pax6 dans les cellules de la glie radiale, viable après la naissance, nous avons montré que Pax6 est impliqué dans la maturation et dans le développement post-natal des astrocytes. Le cortex cérébral des souris mutantes conditionnelles ne présente pas d’astrocytes matures à l’âge de 16 jours et une très faible quantité d’astrocytes immatures à l’âge de trois mois, suggérant que Pax6 promeut la différenciation et la maturation des astrocytes. De plus, Pax6 semble jouer un rôle même dans le processus de différenciation et de maturation de cellules gliales rétiniennes. L’étude des gènes et des mécanismes moléculaires impliqués dans la génération des astrocytes est crucial pour mieux comprendre le rôle physiologique et les altérations pathologiques des ces cellules.

Caractérisation et délétion de tous les systèmes d'adhésion connus de Salmonella enterica sérovar Typhi

Les fimbriae sont des structures protéiques extracellulaires retrouvées chez une vaste diversité de bactéries. Ces structures ont fait l’objet de nombreuses études et sont maintenant reconnus pour leur implication dans l’adhésion et l’invasion aux cellules eucaryotes, mais aussi dans la production de biofilms. Ils sont groupés selon leur voie de sécrétion. Certains utilisent une machinerie spécifique et individuelle, c’est le cas des pili de type IV, tandis que d’autres utilisent la voie de sécrétion générale suivit d’une voie spécifique telle que la voie du chaperon-placier (« Chaperon Usher Pathway ») (fimbriae CUP) ou la voie de nucléation précipitation (« nucleation precipitation pathway ») (Curli). Malgré toutes les connaissances actuelles concernant les fimbriae, très peu d’informations sont disponibles quant aux fimbriae de Salmonella enterica sérovar Typhi (S. Typhi). Ce pathogène unique à l’homme est l’agent étiologique de la fièvre typhoïde. Puisque les fimbriae sont reconnus pour être impliqués dans l’adaptation à l’hôte, nous avons décidé d’étudier davantage l’arsenal fimbriaire de S. Typhi, dans l’espoir d’identifier des facteurs de virulence uniques à S. Typhi et impliqués dans la ségrégation de l’hôte. La souche S. Typhi ISP1820 possède 14 opérons codant pour des systèmes d’adhésion, mais plusieurs contiennent des pseudogènes et leur expression n’a jamais été observée in vitro. Afin d’étudier les systèmes d’adhésion de S. Typhi, nous avons supprimé chaque opéron du génome individuellement et cumulativement à l’aide une technique de mutagénèse par échange allélique. Ainsi, nous avons testé chaque mutant individuel et la souche mutante pour tous les systèmes d’adhésion dans plusieurs essais tels que des infections de cellules épithéliales et de macrophages, de mobilité et de formation de biofilm. Nous avons aussi évalué l’expression des fimbriae lors de différentes conditions de croissance en laboratoire par RT-PCR. Tous les tests réalisés nous ont permis de découvrir que plusieurs opérons fimbriaires de S. Typhi sont opérationnels et utilisés pour différentes fonctions par la bactérie.