A quasispecies approach to the evolution of sexual replication in unicellular organisms

This study develops a simplified model describing the evolutionary dynamics of a population composed of obligate sexually and asexually reproducing, unicellular organisms. The model assumes that the organisms have diploid genomes consisting of two chromosomes, and that the sexual organisms replicate by first dividing into haploid intermediates, which then combine with other haploids, followed by the normal mitotic division of the resulting diploid into two new daughter cells. We assume that the fitness landscape of the diploids is analogous to the single-fitness-peak approach often used in single-chromosome studies. That is, we assume a master chromosome that becomes defective with just one point mutation. The diploid fitness then depends on whether the genome has zero, one, or two copies of the master chromosome. We also assume that only pairs of haploids with a master chromosome are capable of combining so as to produce sexual diploid cells, and that this process is described by second-order kinetics. We find that, in a range of intermediate values of the replication fidelity, sexually reproducing cells can outcompete asexual ones, provided the initial abundance of sexual cells is above some threshold value. The range of values where sexual reproduction outcompetes asexual reproduction increases with decreasing replication rate and increasing population density. We critically evaluate a common approach, based on a group selection perspective, used to study the competition between populations and show its flaws in addressing the evolution of sex problem.

The regulation of size as illustrated in unicellular organisms,

Bibliography: p. 209-230.

Cathepsin B-like and cell death in the unicellular human pathogen Leishmania.

In several studies reporting cell death (CD) in lower eukaryotes and in the human protozoan parasite Leishmania, proteolytic activity was revealed using pan-caspase substrates or inhibitors such as carbobenzoxy-valyl-alanyl-aspartyl-[O-methyl]-fluoromethylketone (Z-VAD-FMK). However, most of the lower eukaryotes do not encode caspase(s) but MCA, which differs from caspase(s) in its substrate specificity and cannot be accountable for the recognition of Z-VAD-FMK. In the present study, we were interested in identifying which enzyme was capturing the Z-VAD substrate. We show that heat shock (HS) induces Leishmania CD and leads to the intracellular binding of Z-VAD-FMK. We excluded binding and inhibition of Z-VAD-FMK to Leishmania major metacaspase (LmjMCA), and identified cysteine proteinase C (LmjCPC), a cathepsin B-like (CPC) enzyme, as the Z-VAD-FMK binding enzyme. We confirmed the specific interaction of Z-VAD-FMK with CPC by showing that Z-VAD binding is absent in a Leishmania mexicana strain in which the cpc gene was deleted. We also show that parasites exposed to various stress conditions release CPC into a soluble fraction. Finally, we confirmed the role of CPC in Leishmania CD by showing that, when exposed to the oxidizing agent hydrogen peroxide (H(2)O(2)), cpc knockout parasites survived better than wild-type parasites (WT). In conclusion, this study identified CPC as the substrate of Z-VAD-FMK in Leishmania and as a potential additional executioner protease in the CD cascade of Leishmania and possibly in other lower eukaryotes.

Uncoupling proteins (UCP) in unicellular eukaryotes: True UCPs or UCP1-like acting proteins?

Uncoupling proteins belong to the superfamily of mitochondrial anion carriers. They are apparently present throughout the Eukarya domain in which only some members have an established physiological function, i.e. UCP1 from brown adipose tissue is involved in non-shivering thermogenesis. However, the proteins responsible for the phenotype observed in unicellular organisms have not been characterized. In this report we analyzed functional evidence concerning unicellular UCPs and found that true UCPs are restricted to some taxonomical groups while proteins conferring a UCP1-like phenotype to fungi and most protists are the result of a promiscuous activity exerted by other mitochondrial anion carriers. We describe a possible evolutionary route followed by these proteins by which they acquire this promiscuous mechanism. (C) 2012 Federation of European Biochemical Societies. Published by Elsevier B. V. All rights reserved.

Steady-state expression of self-regulated genes.

MOTIVATION: Regulatory gene networks contain generic modules such as feedback loops that are essential for the regulation of many biological functions. The study of the stochastic mechanisms of gene regulation is instrumental for the understanding of how cells maintain their expression at levels commensurate with their biological role, as well as to engineer gene expression switches of appropriate behavior. The lack of precise knowledge on the steady-state distribution of gene expression requires the use of Gillespie algorithms and Monte-Carlo approximations. METHODOLOGY: In this study, we provide new exact formulas and efficient numerical algorithms for computing/modeling the steady-state of a class of self-regulated genes, and we use it to model/compute the stochastic expression of a gene of interest in an engineered network introduced in mammalian cells. The behavior of the genetic network is then analyzed experimentally in living cells. RESULTS: Stochastic models often reveal counter-intuitive experimental behaviors, and we find that this genetic architecture displays a unimodal behavior in mammalian cells, which was unexpected given its known bimodal response in unicellular organisms. We provide a molecular rationale for this behavior, and we implement it in the mathematical picture to explain the experimental results obtained from this network.

Apoptotic markers in protozoan parasites.

ABSTRACT: The execution of the apoptotic death program in metazoans is characterized by a sequence of morphological and biochemical changes that include cell shrinkage, presentation of phosphatidylserine at the cell surface, mitochondrial alterations, chromatin condensation, nuclear fragmentation, membrane blebbing and the formation of apoptotic bodies. Methodologies for measuring apoptosis are based on these markers. Except for membrane blebbing and formation of apoptotic bodies, all other events have been observed in most protozoan parasites undergoing cell death. However, while techniques exist to detect these markers, they are often optimised for metazoan cells and therefore may not pick up subtle differences between the events occurring in unicellular organisms and multi-cellular organisms.In this review we discuss the markers most frequently used to analyze cell death in protozoan parasites, paying special attention to changes in cell morphology, mitochondrial activity, chromatin structure and plasma membrane structure/permeability. Regarding classical regulators/executors of apoptosis, we have reviewed the present knowledge of caspase-like and nuclease activities.

Targeting essential pathways in trypanosomatids gives insights into protozoan mechanisms of cell death.

Apoptosis is a normal component of the development and health of multicellular organisms. However, apoptosis is now considered a prerogative of unicellular organisms, including the trypanosomatids of the genera Trypanosoma spp. and Leishmania spp., causative agents of some of the most important neglected human diseases. Trypanosomatids show typical hallmarks of apoptosis, although they lack some of the key molecules contributing to this process in metazoans, like caspase genes, Bcl-2 family genes and the TNF-related family of receptors. Despite the lack of these molecules, trypanosomatids appear to have the basic machinery to commit suicide. The components of the apoptotic execution machinery of these parasites are slowly coming into light, by targeting essential processes and pathways with different apoptogenic agents and inhibitors. This review will be confined to the events known to drive trypanosomatid parasites to apoptosis.

Cell death in Leishmania induced by stress and differentiation: programmed cell death or necrosis?

Unicellular organisms, such as the protozoan parasite Leishmania, can be stimulated to show some morphological and biochemical features characteristic of mammalian apoptosis. This study demonstrates that under a variety of stress conditions such as serum deprivation, heat shock and nitric oxide, cell death can be induced leading to genomic DNA fragmentation into oligonucleosomes. DNA fragmentation was observed, without induction, in the infectious stages of the parasite, and correlated with the presence of internucleosomal nuclease activity, visualisation of 45 to 59 kDa nucleases and detection of TUNEL-positive nuclei. DNA fragmentation was not dependent on active effector downstream caspases nor on the lysosomal cathepsin L-like enzymes CPA and CPB. These data are consistent with the presence of a caspase-independent cell death mechanism in Leishmania, induced by stress and differentiation that differs significantly from metazoa.

Environmental control of the Pom1-dependent cell-size regulation pathway in fission yeast

Cells couple their growth and division rate in response to nutrient availability to maintain a constant size. This co-ordination happens either at the G1-S or the G2-M transition of the cell cycle. In the rod-shaped fission yeast, size regulation happens at the G2-M transition prior to mitotic commitment. Recent studies have focused on the role of the DYRK-family protein kinase Pom1, which forms gradients emanating from cell poles and inhibits the mitotic activator kinase Cdr2, present at the cell middle. Pom1 was proposed to inhibit Cdr2 until cells reached a critical size before division. However when and where Pom1 inhibits Cdr2 is not clear as medial Pom1 levels do not change during cell elongation. Here I show that Pom1 gradients are susceptible to environmental changes in glucose. Specifically, upon glucose limitation, Pom1 re-localizes from the poles to the cell sides where it delays mitosis through regulating Cdr2. This re-localization occurs due to microtubule de- stabilization and lateral catastrophes leading to transient deposition of the Pom1 gradient nucleator Tea4 along the cell cortex. As Tea4 localization to cell sides is sufficient to recruit Pom1, this explains the mechanism of Pom1 re-localization. Microtubule destabilization and consequently Tea4 and Pom1 spread depends on the activity of the cAMP-dependent Protein Kinase A (PKA/Pka1), as pka1 mutant cells have stable microtubules and retain polar Tea4 and Pom1 under limited glucose. PKA signaling negatively regulates the microtubule rescue factor CLASP/Cls1, thus reducing its ability to stabilize microtubules. Thus PKA signaling tunes CLASP activity to promote microtubule de-stabilization and Pom1 re-localization upon glucose limitation. I show that the side-localized Pom1 delays mitosis and balances the role of the mitosis promoting, mitogen-associated protein kinase (MAPK) protein Sty1. Thus Pom1 re-localization may serve to buffer cell size upon glucose limitation. -- Afin de maintenir une taille constante, les cellules régulent leur croissance ainsi que leur taux de division selon les nutriments disponibles dans le milieu. Dans la levure fissipare, cette régulation de la taille précède l'engagement mitotique et se fait à la transition entre les phases G2 à M du cycle cellulaire. Des études récentes se sont focalisées sur le rôle de la protéine Pom1, membre de la famille des DYRK kinase. Celle-ci forme un gradient provenant des pôles de la cellule et inhibe l'activateur mitotique Cdr2 présent au centre de la cellule. Le model propose que Pom1 inhibe Cdr2 jusqu'à atteindre une taille critique avant la division. Cependant quand et à quel endroit dans la cellulle Pom1 inhibe Cdr2 n'était pas clair car les niveaux médians de Pom1 ne changent pas au cours de la l'élongation des cellules. Dans cette étude, je montre que les gradients de Pom1 sont sensibles aux changements environnementaux du taux de glucose. Plus spécifiquement, en conditions limitantes de glucose, Pom1 se relocalise des pôles de la cellule pour se distribuer sur les côtés de celle-ci. Par conséquent, un délai d'entrée en mitose est observé dû à l'inhibition Cdr2 par Pom1. Cette délocalisation est due à la déstabilisation des microtubules qui va conduire à une déposition transitoire de Tea4, le nucléateur du gradient de Pom1, tout au long du cortex de la cellule. Comme la localisation de Tea4 sur les côtés de la cellule est suffisante pour recruter la protéine Pom1, ceci explique le mécanisme de relocalisation de celle-ci. La déstabilisation des microtubules et par conséquent la diffusion de Tea4 et Pom1 dépendent de l'activité de la protéine kinase A dépendante de l'AMP cyclique (PKA/Pka1). En absence de pka1, la stabilité des microtubules n'est pas affectée ce qui permet la rétention de Tea4 et Pom1 aux pôles de la cellule même en conditions limitantes de glucose. La signalisation via PKA régule négativement le facteur de sauvetage des microtubules CLASP/Cls1 et permet donc de réduire sa fonction de déstabilisation des microtubules. Ainsi la signalisation via PKA affine l'activité des CLASP pour promouvoir la déstabilisation des microtubules et la relocalisation de Pom1 en conditions limitantes de glucose. Je montre que la localisation sur les côtés retarde l'entrée en mitose et compense l'action de la protéine Sty1, connue pour être une MAPK qui induit l'entrée en mitose. Ainsi, la relocalisation de Pom1 pourrait servir à tamponner la taille de la cellule en condition limitantes de glucose. -- Various cell types in the environment such as bacterial, plant or animal cells have a distinct cellular size. Maintaining a constant cell size is important for fitness in unicellular organisms and for diverse functions in multicellular organisms. Cells regulate their size by coordinating their growth rate to their division rate. This coupling is important otherwise cells would get progressively smaller or larger after each successive cell cycle. In their natural environment cells may face fluctuations in the available nutrient supply. Thus cells have to coordinate their division rate to the variable growth rates shown under different nutrient conditions. During my PhD, I worked with a single-celled rod shaped yeast called the fission yeast. These cells are longer when the nutrient supply is abundant and shorter when the nutrient supply is scarce. A protein that senses changes in the external carbon source (glucose) is called Protein Kinase A (PKA). The rod shape of fission yeast cells is maintained thanks to a structural backbone called the cytoskeleton. One of the components of this backbone is called microtubules, which are small tube like structures spanning the length of the cell. They transport a protein called Tea4, which in turn is important for the proper localization of another protein Pom1 to the cell ends. Pom1 helps to maintain proper shape and size of these rod shaped yeast cells. My thesis work showed that upon reduction in the external nutrient (glucose) levels, microtubules become less stable and show an alteration in their organization. A significant percentage of the microtubules contact the side of the cell instead of touching only the cell tip. This leads to the spreading of the protein Pom1 away from the tips all around the cell periphery. This helps fission yeast cells to maintain the proper size required under these conditions of limited glucose supply. I further showed that the protein PKA regulates microtubule stability and organization and thus Pom1 spreading and maintenance of proper cell size. Thus my work led to the discovery of a novel pathway by which fission yeast cells maintain their size under limited supply of glucose. -- Divers types cellulaires dans l'environnement tels que les bactéries, les plantes ou les cellules animales ont une taille précise. Le maintien d'une taille cellulaire constante est importante pour le fitness des organismes unicellulaire ainsi que pour multiples fonctions dans les organismes multicellulaires. Les cellules régulent leur taille en coordonnant le taux de croissance avec le taux de division. Ce couplage est essentiel sinon les cellules deviendraient progressivement plus petites ou plus grandes après chaque cycle cellulaire. Dans leur habitat naturels les cellules peuvent faire face a des fluctuations dans le taux de nutriment disponible. Les cellules doivent donc coordonner leur taux de division aux taux variables de croissances perçus dans les différentes conditions nutritionnels. Pendant ma thèse, j'ai travaillée sur une levure unicellulaire, en forme de bâtonnet, nommé levure fissipare ou levure de fission. La taille de ces cellules est plus grande quand le taux de nutriments est grand et plus courte quand celui-ci est plus faible. Une protéine qui perçoit les changements dans le taux externe de la source de carbone (glucose) est nommée PKA pour protéine kinase A. La forme en bâtonnet de la cellule est due aux caractères structuraux du cytosquelette. Une composante importante de ce cytosquelette sont les microtubules, dont la structures ressemble à des petit tubes qui vont d'un bout à l'autre de la cellule. Ces microtubules transportent une protéine importante nommée Tea4 qui à leur tour importante pour la bonne localisation d'une autre protéine Pom1 aux extrémités de la cellule. La protéine Pom1 aide à maintenir la taille appropriée des levures fissipares. Mon travail de thèse a montré qu'en présence de taux faible de nutriments (glucose) les microtubules deviennent de moins en moins stables et montrent une désorganisation globale. Un pourcentage significatif des microtubules touche les côtés de la cellule aux lieu d'atteindre uniquement les extrémités. Ceci a pour conséquence une diffusion de Pom1 tout au long du cortex de la cellule. Ceci aide les levures fissipares à maintenir la taille appropriée pendant ce stress nutritionnel. De plus, je montre que PKA régule la stabilité et l'organisation des microtubules et par conséquent la diffusion de Pom1 et le maintien d'une taille constante. En conclusion, mon travail a conduit à la découverte d'un nouveau mécanisme par lequel la levure fissipare maintient sa taille dans des conditions limitantes en glucose.

Apoptotic mimicry: an altruistic behavior in host/Leishmania interplay

Apoptosis is the most common phenotype observed when cells die through programmed cell death. The morphologic and biochemical changes that characterize apoptotic cells depend on the activation of a diverse set of genes. Apoptosis is essential for multicellular organisms since their development and homeostasis are dependent on extensive cell renewal. In fact, there is strong evidence for the correlation between the emergence of multicellular organisms and apoptosis during evolution. On the other hand, no obvious advantages can be envisaged for unicellular organisms to carry the complex machinery required for programmed cell death. However, accumulating evidence shows that free-living and parasitic protozoa as well as yeasts display apoptotic markers. This phenomenon has been related to altruistic behavior, when a subpopulation of protozoa or yeasts dies by apoptosis, with clear benefits for the entire population. Recently, phosphatidylserine (PS) exposure and its recognition by a specific receptor (PSR) were implicated in the infectivity of amastigote forms of Leishmania, an obligatory vertebrate intramacrophagic parasite, showing for the first time that unicellular organisms use apoptotic features for the establishment and/or maintenance of infection. Here we focus on PS exposure in the outer leaflet of the plasma membrane - an early hallmark of apoptosis - and how it modulates the inflammatory activity of phagocytic cells. We also discuss the possible mechanisms by which PS exposure can define Leishmania survival inside host cells and the evolutionary implications of apoptosis at the unicellular level.

La calnexine: un élément clé dans l'apoptose chez la levure Schizosaccharomyces pombe.

La mort cellulaire programmée (PCD pour Programmed Cell Death) est un processus essentiel aux cellules. Le PCD a d’abord été caractérisé dans le développement cellulaire et peut être divisé en plusieurs groupes selon les caractéristiques observées. L’apoptose, un sous-groupe du PCD, est caractérisé par plusieurs distinctions morphologiques et signalétiques attribué tout d’abord aux organismes complexes pour son rôle dans le développement et dans le maintien de l’intégrité tissulaire. Depuis la dernière décennie, de nombreuses études font état de l’existence d’un programme apoptotique dans des organismes unicellulaires comme les levures. Ce programme apoptotique a surtout été étudié chez les levures Saccharomyces cerevisiae et Schizosaccharomyces pombe et partage certaines caractéristiques avec l’apoptose des mammifères. Par contre, l’apoptose associé aux levures est distinct à certains égards entre autre par l’absence de certains homologues présents chez les mammifères. L’intérêt au niveau de l’étude du phénomène apoptotique chez les levures est sans cesse grandissant par la facilité avec laquelle les levures peuvent être utilisées comme système modèle. L’apoptose peut être induit dans les cellules de différentes façons en réponse à des stimuli internes ou externes. L’accumulation de protéines mal repliées au niveau du réticulum endoplasmique (RE) causant un stress est un inducteur bien caractérisé de la voie apoptotique. La signalisation de l’apoptose dans un cas de stress au RE fait appel aux transducteurs des signaux de la voie du UPR ( Unfolded Protein Response). Récemment, il a été montré que la calnexine, une chaperone transmembranaire du RE connue et caractérisée surtout pour ses fonctions d’aide au repliement des protéines et au contrôle de qualité, joue un rôle dans la transduction du signal apoptotique en réponse au stress du RE chez mammifères. Le rôle de la calnexine dans ce cas consiste principalement en l’échafaudage pour le clivage par la caspase 8 de la protéine apoptotique Bap31. Nous avons tout d’abord démontré que le stress du RE et que la déficience en inositol, un précurseur essentiel de nombreuses molécules signalétiques, sont deux inducteurs de l’apoptose chez la levure S. pombe. Ces deux voies semblent induire l’apoptose par deux voies distinctes puisque seule la voie de la déficience en inositol induit l’apoptose de façon dépendante à la métacaspase Pca1p. La calnexine, essentielle à la viabilité chez la levure S. pombe, est impliquée dans ces deux phénomènes apoptotiques. L’apoptose induit par le stress du RE nécessite une version de la calnexine ancrée à la membrane du RE pour être optimal. De façon opposée, l’apoptose induit par une déficience en inositol nécessite la présence de la queue cytosolique ancrée à la membrane de la calnexine pour être retardé. Ces deux actions différentes imputables à une même protéine laisse croire à une double fonction pro et anti-apoptotique de celle-ci. Suite à la découverte de l’existence d’un clivage endogène de la calnexine en situation normale de croissance, un modèle a été élaboré expliquant les rôles distincts de la calnexine dans ces deux voies apoptotiques. Ce modèle fait état d’un rôle associé au clivage de la calnexine dans l’apoptose.

The in vivo characterization of the DNA repair gene apn-1 in the model organism Caenorhabditis elegans

Les sites apuriniques/apyrimidinique (AP) représentent une forme de dommage à l’ADN hautement mutagène et ce type de dommage peut survenir spontanément ou être induit par une variété d’agents. Afin de préserver la stabilité génomique, deux familles d’endonucléases de type AP, endo-IV et exo-III, sont nécessaires pour contrecarrer les effets mutagènes des sites AP. Malgré l’identification de membres des deux familles dans plusieurs organismes unicellulaire tels que E.coli et S. cerevisiae, aucun membre de la famille endo-IV n’a été identifié chez les organismes multicellulaires à l’exception de C. elegans et de C. briggsae. Nous avons donc décidé d’investiguer l’importance biologique de APN-1 chez C. elegans par l’utilisation d’une approche de knockdown du gène. Dans notre étude, nous avons montré que le knockdown du gène apn-1 chez C. elegans, en utilisant des ARN d’interférence (ARNi), cause une accumulation de mutations spontanées et induites par des drogues résultant en un délai de l’éclosion des œufs ainsi que par une diminution de la survie et de la longévité des vers adultes. De plus, nous avons montré que cette accumulation de mutations mène à un délai dans la progression du cycle cellulaire durant l’embryogénèse, représentant possiblement une explication du délai dans l’éclosion des œufs. Nous avons montré qu’il y avait une augmentation du niveau de mutations dans la gorge des vers, sans toutefois pouvoir confirmer la distribution de APN-1 qui possède une étiquette GFP. Les animaux transgéniques APN-1-GFP n’exprimaient pas suffisamment de la protéine de fusion pour permettre une visualisation à l’aide d’un microscope à fluorescence, mais la protéine a été détectée par immunobuvardage de type western. Les animaux transgéniques APN-1-GFP étaient instables et avaient des phénotypes concordants avec les défauts génétiques. En conclusion, il semble que C. elegans aie évolué afin de retenir un niveau de base de APN-1 jouant ainsi un rôle versatile afin de maintenir l’intégrité génétique d’autant plus que cet organisme semble manquer plusieurs enzymes de la voie de réparation par excision de base.

The use of planarians as in vivo animal model to study laser biomodulation effects

A variety of effects is attributed to the photo stimulation of tissues, such as improved healing of ulcers, analgesic and anti-inflammatory effects, stimulation of the proliferation of cells of different origins and stimulation of bone repair. Some investigations that make qualitative evaluations, like wound healing and evaluation of pain and edema, can be conducted in human subjects. However, deeper investigations on the mechanisms of action of the light stimulus and other quantitative works that requires biopsies or destructive analysis has to be carried out in animal models or in cell cultures. In this work, we propose the use of planarians as a model to study laser-tissue interaction. Contrasting with cell cultures and unicellular organisms, planarians are among the simplest organism having tissue layers, central nerve system, digestive and excretory system that might have been platforms for the evolution of the complex and highly organized tissues and organs found in higher organisms. For the present study, 685 nm laser radiation was employed. Planarians were cut transversally, in a plane posterior to the auricles. The body fragments were left to regenerate and the proliferation dynamics of stem cells was studied by using histological analysis. Maximum cell count was obtained for the laser treated group at the 4th experimental day. At that experimental time, we also had the largest difference between the irradiated and the non-irradiated control group. We concluded that the studied flatworm could be an interesting animal model for in vivo studies of laser-tissue interactions.