Cytochemical characterization of gill and hepatopancreatic cells of the crab Ucides cordatus (Crustacea, Brachyura) validated by cell metal transport

Ucides cordatus (Linnaeus, 1763) is a hypo-hyper-regulating mangrove crab possessing gills for respiratory and osmoregulatory processes, separated in anterior and posterior sections. They also have hepatopancreas, which is responsible for digestion and absorption of nutrients and detoxification of toxic metals. Each of these organs has specific cells that are important for in vitro studies in cell biology, ion and toxic metals transport. In order to study and characterize cells from gills and hepatopancreas, both were separated using a Sucrose Gradient (SG) from 10 to 40% and cells in each gradient were characterized using the vital mitochondrial dye DASPEI (2-(4-dimethylaminostyryl)-N- ethylpyridinium iodide) and Trichrome Mallory's stain. Both in 20 and 40% SG for gill cells and 30% SG for hepatopancreatic cells, a greater number of cells were colored with DASPEI, indicating a larger number of mitochondria in these cells. It is concluded that the gill cells present in 20% and 40% SG are Thin cells, responsible for respiratory processes and Ionocytes responsible for ion transport, respectively. For hepatopancreatic cells, the 30% SG is composed of Fibrillar cells that possess larger number of membrane ion and nutrient transporters. Moreover, the transport of toxic metal cadmium (Cd) by isolated hepatopancreatic cells was performed as a way of following cell physiological integrity after cell separation and to study differences in transport among the cells. All hepatopancreatic cells were able to transport Cd. These findings are the first step for further work on isolated cells of these important exchange epithelia of crabs, using a simple separation method and to further develop successful in vitro cell culture in crabs.

Protease-activated receptor 2 signalling promotes dendritic cell antigen transport and T cell activation in vivo

Rapport de synthèse : Le récepteur activé par protéase de type 2 (PAR2) intervient dans l'inflammation dans divers modèles expérimentaux de maladies inflammatoires et auto-immunes, mais le mécanisme par lequel il exerce cette fonction reste mal compris. PAR2 est exprimé sur des cellules endothéliales et immunitaires et a été impliqué dans la différentiation des cellules dendritiques (DC). Avec leur rôle central dans la réponse immune, les DC pourraient jouer un rôle clef, l'activation de PAR2 à leur surface modulant la réponse immune. Des recherches précédentes ont montré que PAR2 a un effet dans le développement et la maturation des DC de moelle osseuse in vitro, ainsi que dans la promotion de la réponse immune en allergie. Dans cette étude, nous avons évalué l'impact in vivo de l'activation de PAR2 sur les DC et les cellules T dans des souris déficientes en PAR2 (KO) en utilisant un peptide agoniste spécifique du PAR2 (AP2). L'activation de PAR2 a augmenté la fréquence de DC matures dans les ganglions lymphatiques 24 heures après l'administration d'AP2 d'une manière significative. En outre, ces DC avaient une expression augmentée des molécules de co-stimulation CD86 et du complexe majeur d'histocompatibilité type 2 (MHC-II). 48 heures après l'injection d'AP2, nous avons également observé une élévation significative des lymphocytes T CD4+ et CD8+ activés, (CD44+CD62-) dans ces ganglions. Des changements dans le profil d'activation des DC et des cellules T n'ont pas été observés au niveau de a rate. L'influence de la signalisation de PAR2 sur le transport d'antigène aux ganglions lymphatiques inguinaux a été évaluée dans le contexte d'hypersensibilité retardée de type IV. Les souris KO sensibilisées par peinture de la peau avec fluorescéine isothyocyanate (FITC) afin d'induire une hypersensibilité retardée avaient un pourcentage diminué de DC FITC+ dans les ganglions lymphatiques 24 heures après l'application du FITC en comparaison avec les souris sauvages avec le même fond génétique (0.47% vs 0.95% des cellules ganglionnaires totales). En conclusion, ces résultats démontrent que la signalisation de PAR2 favorise et renforce la maturation et le transport d'antigène par des DC .vers les ganglions lymphatiques ainsi que l'activation ultérieure des lymphocytes T, et de ce fait fournissent une explication pour l'effet pro inflammatoire de PAR2 dans les modèles animaux d'inflammation. Une meilleure compréhension de ce mécanisme de modulation du système immun via PAR2 peut s'avérer particulièrement utile pour le développement des vaccins, ainsi que pour la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques dans le contexte de l'allergie, l'auto-immunité, et les maladies inflammatoires.

Protease-activated receptor 2 signalling promotes dendritic cell antigen transport and T-cell activation in vivo.

Deficiency of protease-activated receptor-2 (PAR2) modulates inflammation in several models of inflammatory and autoimmune disease, although the underlying mechanism(s) are not understood. PAR2 is expressed on endothelial and immune cells, and is implicated in dendritic cell (DC) differentiation. We investigated in vivo the impact of PAR2 activation on DCs and T cells in PAR2 wild-type (WT) and knockout (KO) mice using a specific PAR2 agonist peptide (AP2). PAR2 activation significantly increased the frequency of mature CD11c(high) DCs in draining lymph nodes 24 hr after AP2 administration. Furthermore, these DCs exhibited increased expression of major histocompatibility complex (MHC) class II and CD86. A significant increase in activated (CD44(+) CD62(-)) CD4(+) and CD8(+) T-cell frequencies was also observed in draining lymph nodes 48 hr after AP2 injection. No detectable change in DC or T-cell activation profiles was observed in the spleen. The influence of PAR2 signalling on antigen transport to draining lymph nodes was assessed in the context of delayed-type hypersensitivity. PAR2 WT mice that were sensitized by skin-painting with fluorescein isothiocyanate (FITC) to induce delayed-type hypersensitivity possessed elevated proportion of FITC(+) DCs in draining lymph nodes 24 hr after FITC painting when compared with PAR2 KO mice (0.95% versus 0.47% of total lymph node cells). Collectively, these results demonstrate that PAR2 signalling promotes DC trafficking to the lymph nodes and subsequent T-cell activation, and thus provides an explanation for the pro-inflammatory effect of PAR2 in animal models of inflammation.

Protease-activated receptor 2 signalling promotes dendritic cell antigen transport and T-cell activation in vivo.

Deficiency of protease-activated receptor-2 (PAR2) modulates inflammation in several models of inflammatory and autoimmune disease, although the underlying mechanism(s) are not understood. PAR2 is expressed on endothelial and immune cells, and is implicated in dendritic cell (DC) differentiation. We investigated in vivo the impact of PAR2 activation on DCs and T cells in PAR2 wild-type (WT) and knockout (KO) mice using a specific PAR2 agonist peptide (AP2). PAR2 activation significantly increased the frequency of mature CD11c(high) DCs in draining lymph nodes 24 hr after AP2 administration. Furthermore, these DCs exhibited increased expression of major histocompatibility complex (MHC) class II and CD86. A significant increase in activated (CD44(+) CD62(-)) CD4(+) and CD8(+) T-cell frequencies was also observed in draining lymph nodes 48 hr after AP2 injection. No detectable change in DC or T-cell activation profiles was observed in the spleen. The influence of PAR2 signalling on antigen transport to draining lymph nodes was assessed in the context of delayed-type hypersensitivity. PAR2 WT mice that were sensitized by skin-painting with fluorescein isothiocyanate (FITC) to induce delayed-type hypersensitivity possessed elevated proportion of FITC(+) DCs in draining lymph nodes 24 hr after FITC painting when compared with PAR2 KO mice (0.95% versus 0.47% of total lymph node cells). Collectively, these results demonstrate that PAR2 signalling promotes DC trafficking to the lymph nodes and subsequent T-cell activation, and thus provides an explanation for the pro-inflammatory effect of PAR2 in animal models of inflammation.

Vasopressin-dependent coupling between sodium transport and water flow in a mouse cortical collecting duct cell line.

Water balance is achieved through the ability of the kidney to control water reabsorption in the connecting tubule and the collecting duct. In a mouse cortical collecting duct cell line (mCCD(c11)), physiological concentrations of arginine vasopressin increased both electrogenic, amiloride-sensitive, epithelial sodium channel (ENaC)-mediated sodium transport measured by the short-circuit current (Isc) method and water flow (Jv apical to basal) measured by gravimetry with similar activation coefficient K(1/2) (6 and 12 pM, respectively). Jv increased linearly according to the osmotic gradient across the monolayer. A small but highly significant Jv was also measured under isoosmotic conditions. To test the coupling between sodium reabsorption and water flow, mCCD(c11) cells were treated for 24 h under isoosmotic condition with either diluent, amiloride, vasopressin or vasopressin and amiloride. Isc, Jv, and net chemical sodium fluxes were measured across the same monolayers. Around 30% of baseline and 50% of vasopressin-induced water flow is coupled to an amiloride-sensitive, ENaC-mediated, electrogenic sodium transport, whereas the remaining flow is coupled to an amiloride-insensitive, nonelectrogenic sodium transport mediated by an unknown electroneutral transporter. The mCCD(c11) cell line is a first example of a mammalian tight epithelium allowing quantitative study of the coupling between sodium and water transport. Our data are consistent with the 'near isoosmotic' fluid transport model.

WATER TRANSPORT THROUGH POROUS MEDIA AND IN FLOW CHANNELS OF PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL

Proton exchange membrane (PEM) fuel cell has been known as a promising power source for different applications such as automotive, residential and stationary. During the operation of a PEM fuel cell, hydrogen is oxidized in anode and oxygen is reduced in the cathode to produce the intended power. Water and heat are inevitable byproducts of these reactions. The water produced in the cathode should be properly removed from inside the cell. Otherwise, it may block the path of reactants passing through the gas channels and/or gas diffusion layer (GDL). This deteriorates the performance of the cell and eventually can cease the operation of the cell. Water transport in PEM fuel cell has been the subject of this PhD study. Water transport on the surface of the GDL, through the gas flow channels, and through GDL has been studied in details. For water transport on the surface of the GDL, droplet detachment has been measured for different GDL conditions and for anode and cathode gas flow channels. Water transport through gas flow channels has been investigated by measuring the two-phase flow pressure drop along the gas flow channels. As accumulated liquid water within gas flow channels resists the gas flow, the pressure drop increases along the flow channels. The two-phase flow pressure drop can reveal useful information about the amount of liquid water accumulated within gas flow channels. Liquid water transport though GDL has also been investigated by measuring the liquid water breakthrough pressure for the region between the capillary fingering and the stable displacement on the drainage phase diagram. The breakthrough pressure has been measured for different variables such as GDL thickness, PTFE/Nafion content within the GDL, GDL compression, the inclusion of a micro-porous layer (MPL), and different water flow rates through the GDL. Prior to all these studies, GDL microstructural properties have been studied. GDL microstructural properties such as mean pore diameter, pore diameter distribution, and pore roundness distribution have been investigated by analyzing SEM images of GDL samples.

Diacylglycerol is required for the formation of COPI vesicles in the Golgi-to-ER transport pathway

Diacylglycerol is necessary for trans-Golgi network (TGN) to cell surface transport, but its functional relevance in the early secretory pathway is unclear. Although depletion of diacylglycerol did not affect ER-to-Golgi transport, it led to a redistribution of the KDEL receptor to the Golgi, indicating that Golgi-to-ER transport was perturbed. Electron microscopy revealed an accumulation of COPI-coated membrane profiles close to the Golgi cisternae. Electron tomography showed that the majority of these membrane profiles originate from coated buds, indicating a block in membrane fission. Under these conditions the Golgi-associated pool of ARFGAP1 was reduced, but there was no effect on the binding of coatomer or the membrane fission protein CtBP3/BARS to the Golgi. The addition of 1,2-dioctanoyl-sn-glycerol or the diacylglycerol analogue phorbol 12,13-dibutyrate reversed the effects of endogenous diacylglycerol depletion. Our findings implicate diacylglycerol in the retrograde transport of proteins from Golgi to the ER and suggest that it plays a critical role at a late stage of COPI vesicle formation.

The squeeze cell hypothesis for the activation of jasmonate synthesis in response to wounding

Jasmonates are lipid mediators that control defence gene expression in response to wounding and other environmental stresses. These small molecules can accumulate at distances up to several cm from sites of damage and this is likely to involve cell-to-cell jasmonate transport. Also, and independently of jasmonate synthesis, transport and perception, different long-distance wound signals that stimulate distal jasmonate synthesis are propagated at apparent speeds of several cmmin(-1) to tissues distal to wounds in a mechanism that involves clade 3 GLUTAMATE RECEPTOR-LIKE (GLR) genes. A search for jasmonate synthesis enzymes that might decode these signals revealed LOX6, a lipoxygenase that is necessary for much of the rapid accumulation of jasmonic acid at sites distal to wounds. Intriguingly, the LOX6 promoter is expressed in a distinct niche of cells that are adjacent to mature xylem vessels, a location that would make these contact cells sensitive to the release of xylem water column tension upon wounding. We propose a model in which rapid axial changes in xylem hydrostatic pressure caused by wounding travel through the vasculature and lead to slower, radially dispersed pressure changes that act in a clade 3 GLR-dependent mechanism to promote distal jasmonate synthesis.

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.

Rab11 Is Required for Trans-Golgi Network–to–Plasma Membrane Transport and a Preferential Target for GDP Dissociation Inhibitor

The rab11 GTPase has been localized to both the Golgi and recycling endosomes; however, its Golgi-associated function has remained obscure. In this study, rab11 function in exocytic transport was analyzed by using two independent means to perturb its activity. First, expression of the dominant interfering rab11S25N mutant protein led to a significant inhibition of the cell surface transport of vesicular stomatitis virus (VSV) G protein and caused VSV G protein to accumulate in the Golgi. On the other hand, the expression of wild-type rab11 or the activating rab11Q70L mutant had no adverse effect on VSV G transport. Next, the membrane association of rab11, which is crucial for its function, was perturbed by modest increases in GDP dissociation inhibitor (GDI) levels. This led to selective inhibition of the trans-Golgi network to cell surface delivery, whereas endoplasmic reticulum–to–Golgi and intra-Golgi transport were largely unaffected. The transport inhibition was reversed specifically by coexpression of wild-type rab11 with GDI. Under the same conditions two other exocytic rab proteins, rab2 and rab8, remained membrane bound, and the transport steps regulated by these rab proteins were unaffected. Neither mutant rab11S25N nor GDI overexpression had any impact on the cell surface delivery of influenza hemagglutinin. These data show that functional rab11 is critical for the export of a basolateral marker but not an apical marker from the trans-Golgi network and pinpoint rab11 as a sensitive target for inhibition by excess GDI.

The second intracellular loop of the calcitonin gene-related peptide receptor provides molecular determinants for signal transduction and cell surface expression

The calcitonin gene-related peptide (CGRP) receptor is a heterodimer of a family B G-protein-coupled receptor, calcitonin receptor-like receptor (CLR), and the accessory protein receptor activity modifying protein 1. It couples to Gs, but it is not known which intracellular loops mediate this. We have identified the boundaries of this loop based on the relative position and length of the juxtamembrane transmembrane regions 3 and 4. The loop has been analyzed by systematic mutagenesis of all residues to alanine, measuring cAMP accumulation, CGRP affinity, and receptor expression. Unlike rhodopsin, ICL2 of the CGRP receptor plays a part in the conformational switch after agonist interaction. His-216 and Lys-227 were essential for a functional CGRP-induced cAMP response. The effect of (H216A)CLR is due to a disruption to the cell surface transport or surface stability of the mutant receptor. In contrast, (K227A)CLR had wild-type expression and agonist affinity, suggesting a direct disruption to the downstream signal transduction mechanism of the CGRP receptor. Modeling suggests that the loop undergoes a significant shift in position during receptor activation, exposing a potential G-protein binding pocket. Lys-227 changes position to point into the pocket, potentially allowing it to interact with bound G-proteins. His-216 occupies a position similar to that of Tyr-136 in bovine rhodopsin, part of the DRY motif of the latter receptor. This is the first comprehensive analysis of an entire intracellular loop within the calcitonin family of G-protein-coupled receptor. These data help to define the structural and functional characteristics of the CGRP-receptor and of family B G-protein-coupled receptors in general. © 2006 by The American Society for Biochemistry and Molecular Biology, Inc.

Oscillation modes of microtubules.

Microtubules are long, filamentous protein complexes which play a central role in several cellular physiological processes, such as cell division transport and locomotion. Their mechanical properties are extremely important since they determine the biological function. In a recently published experiment [Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 248101], microtubule's Young's and shear moduli were simultaneously measured, proving that they are highly anisotropic. Together with the known structure, this finding opens the way to better understand and predict their mechanical behavior under a particular set of conditions. In the present study, we modeled microtubules by using the finite elements method and analyzed their oscillation modes. The analysis revealed that oscillation modes involving a change in the diameter of the microtubules strongly depend on the shear modulus. In these modes, the correlation times of the movements are just slightly shorter than diffusion times of free molecules surrounding the microtubule. It could be therefore speculated that the matching of the two timescales could play a role in facilitating the interactions between microtubules and MT associated proteins, and between microtubules and tubulins themselves.

Mechanisms of apoptosis in retinitis pigmentosa.

Mutations in humans are associated with several forms of inherited retinal dystrophies, such as Retinitis Pigmentosa which lead to retinal cell death and irreversible loss of vision. Genes involved in affected patients mainly encode proteins related to vision physiology including visual cycle and light-dependent phototransduction cascade. As reported in spontaneous and genetically engineered mouse models, apoptosis is a common fate in retinal degeneration, although the triggered signals to retinal apoptosis remain largely unraveled. Several studies highlighted that many of the molecular pathways involved in ocular diseases rely on caspase-dependent or -independent apoptotic mitochondrial pathway involving the Bcl-2 family of proteins. Anti- and pro-apoptotic Bcl-2 members are present in retinal tissues and are thought to play a role in the pathogenesis of several retinal disorders. Since almost no efficient treatments are available so far, it remains a great challenge to decipher the molecular pathways involved in retinal dystrophies and to develop alternative therapies to prevent or inhibit eye defect. Toward this goal, mutation-independent strategies such as molecular therapy provides promising and exciting approaches to deliver anti-apoptotic molecules targeting the Bcl-2 pathway through the use of cell permeable transport peptides. Modulation of common apoptotic signaling pathways may be of outstanding potential to target multiple retinal dystrophies regardless of the primary genetic defect.

Linking microtubules to the activation of CDC42 in fission yeast

Cell polarity is an essential property of most cell types and relies on a dynamic cytoskeleton of actin filaments and microtubules. In rod-shaped S. pombe cells microtubules are organized along the length of the cell and transport polarity factors to cell tips to regulate cell polarity. An important cell polarity factor is the protein Tea4, which is responsible for correct cell morphogenesis and bipolar growth. During my research I confirmed the known transport mechanism of Tea4 and I also showed alternative localization and anchoring mechanisms at the cell ends. Tea4 contains a conserved SH3 domain, the function of which was unknown and my results show that the SH3 domain of Tea4 is essential for Tea4 function in vivo. First, cells with tea4SH3 mutations show aberrant cell shapes and monopolar growth patterns similar to tea4A and in addition SH3 domain is important for proper localization of multiple cell polarity proteins. Second, I showed that Tea4 associates with Type 1 Phosphatase Dis2 through both its SH3 domain and an RVxF motif. Tea4 also binds the DYRK kinase Pomi through its SH3 domain. In addition Tea4 is proposed to promote the local dephosphorylation of Pomi by Dis2 to induce the formation of a cortical gradient from cell ends essential for cell size homeostasis. Polarized growth is also controlled by cell tip-localized Cdc42. This Rho- family GTPase is activated by the Guanine Exchange Factors Gef1 and Scd1 and inactivated by the Rho GTPase Activating Protein Rga4. In this study, I investigated the mechanisms of how Tea4 promotes Cdc42 activation. My work suggests that Tea4 promotes the local exclusion of Rga4, which in turn allows the accumulation of active Cdc42, which may result in growth. Exclusion of Rga4 by Tea4 is likely to be mediated by Dis2-dependent dephosphorylation. These results suggest a molecular pathway that links the microtubule- associated factor Tea4 with Cdc42 to promote cell polarization and morphogenesis. - La polarité cellulaire est une propriété essentielle de la plupart des types cellulaires et s'appuie sur une dynamique des cytosquelettes d'actine et de microtubules. Dans les cellules en forme de bâtonnet de S. pombe les microtubules sont alignés selon l'axe longitudinal de la cellule et les facteurs de polarité transportés aux extrémité cellulaires afin de réguler la polarité cellulaire. Un facteur important de polarité cellulaire est la protéine Tea4, qui est responsable de la morphogenèse des cellules et leur croissance bipolaire. Au cours de mes recherches, j'ai confirmé les mécanismes connus de transport de Tea4 et j'ai aussi mis en évidence d'autres mechanismes de localisation et d'ancrage de Tea4 aux extrémités cellulaires. Tea4 contient un domaine SH3 conservé, dont la fonction était inconnue et mes résultats montrent que le domaine SH3 est essentiel pour la fonction de Tea4 in vivo. Tout d'abord, les cellules avec des mutations tea4sm ont des formes aberrantes et leur croissance est monopolaire de manière similaire au mutant tea4A. De plus ce domaine SH3 est important pour la localisation correcte de plusieurs protéines de polarité cellulaire. Deuxièmement, j'ai montré que Tea4 s'associe avec la Phosphatase de Type-1 Dis2 par son domaine SH3 et un motif RVxF. Tea4 se lie également la kinase DYRK Pomi par son domaine SH3. De plus, Tea4 pourrait favoriser la déphosphorylation locale de Pomi par Dis2 afin d'induire la formation d'un gradient cortical de Pomi essentiel pour l'homéostasie de la longueur des cellules. La croissance polarisée est également contrôlée par la protéine Cdc42 localisée aux extrémités cellulaires. Cette GTPase de la famille de Rho GTPase est activée par les facteurs échange de guanine Gef1 et Scd1 et inactivée par la protéine "Rho GTPase activating" Rga4. Dans cette étude, j'ai étudié les mécanismes d' activation de Cdc42 par Tea4. Mes résultats suggèrent que Tea4 favorise l'exclusion locale de Rga4, ce qui permet l'accumulation de Cdc42 active, nécessaire à la croissance. L' exclusion de Rga4 par Tea4 est vraisemblablement médiée par une déphosphorylation Dis2- dépendente. Ces résultats suggèrent une voie moléculaire qui lie le facteur associé aux microtubules Tea4 à Cdc42 pour promouvoir la polarisation cellulaire et la morphogenèse. - Cell polarity is important for several essential biological functions such as generation of distinct cell fates during development and function of differentiated cells. Defective cell polarity has been related to uncontrolled cell division and subsequently to cancer initiation. Cell polarity depends on a functional cytoskeleton that consists of actin filaments and microtubules, which maintains cell shape, helps cellular motion, enables intracellular protein transport and plays a vital role in cell division. A component of cytoskeleton is microtubules that regulate cell polarization in diverse cell types. During my research, I worked with Schizosaccharomyces pombe, also named fission yeast, a powerful unicellular model organism that allows combination of genetic, biochemical and microscopic analysis for the proper study of cell polarity. Microtubule-associated protein Tea4 is transported to cell tips where it is thought to organize polarized growth. I showed that Tea4 and its evolutionarily conserved SH3 domain play an important role for maintenance of fission yeast cells shape and growth. Furthermore, Tea4 is responsible for the proper localization of multiple polarity proteins and acts as a mediator to control the local activity of an essential polarity regulator called Cdc42. Thus, my results provide a better understanding of the molecular mechanisms that regulate cell polarity. - La polarité cellulaire est importante pour plusieurs fonctions biologiques essentielles telles que la différenciation cellulaires au cours du développement et de la fonction de cellules différenciées. Les défauts de la polarité cellulaire ont été liés à des divisions cellulaires incontrôlées et à l'initiation de tumeur. La polarité cellulaire dépend d'un cytosquelette fonctionnel, qui maintient la forme des cellules, aide à la migration cellulaire, permet le transport intracellulaire des protéines et joue un rôle essentiel dans la division cellulaire. Un composant du cytosquelette est constitué de microtubules qui régissent la polarisation cellulaire dans divers types cellulaires. Au cours de mes recherches, j'ai travaillé avec Schizosaccharomyces pombe, appelé également levure fissipare, un modèle unicellulare puissant qui permet la combinaison de différentes d'approches expérimentales: génétiques, biochimiques et microscopiques pour l'étude de la polarité cellulaire. La protéine Tea4 associée aux microtubules est transportée aux extrémités cellulaires où elle organise la croissance polarisée. J'ai montré que Tea4 et son domaine conservé SH3 jouent un rôle important pour le maintien de la forme des cellules de levure et leur croissance. De plus, Tea4 est responsable de la localisation correcte de multiples facteurs de polarité et agit comme un médiateur pour contrôler l'activité locale d'un régulateur de polarité essentiel appelé Cdc42. Ainsi, mes résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui régulent la polarité cellulaire.

Caractérisation des complexes ribonucléoprotéiques de Staufen1 et Staufen2

Dans la cellule, chaque ARNm se doit d’être régulé finement au niveau transcriptionnel, bien entendu, mais également au niveau de sa traduction, de sa dégradation ainsi que de sa localisation intracellulaire, et ce, afin de permettre l’expression de chaque produit protéique au moment et à l’endroit précis où son action est requise. Lorsqu’un mécanisme physiologique est mis de l’avant dans la cellule, il arrive souvent que plusieurs ARNm se doivent d’être régulés simultanément. L’un des moyens permettant d’orchestrer un tel processus est de réguler l’action d’une protéine commune associée à chacun de ces ARNm, via un mécanisme post-traductionnel par exemple. Ainsi l’expression d’un groupe précis d’ARNm peut être régulée finement dans le temps et dans l’espace selon les facteurs protéiques auxquels il est associé. Dans l’optique d’étudier certains de ces complexes ribonucléoprotéiques (mRNP), nous nous sommes intéressés aux isoformes et paralogues de Staufen, une protéine à domaine de liaison à l’ARN double-brin (dsRBD) impliquée dans de nombreux aspects de la régulation post-transcriptionnelle, tels la dégradation, la traduction ou encore la localisation d’ARNm. Chez la drosophile, un seul gène Staufen est exprimé alors que chez les mammifères, il existe deux paralogues de la protéine, soit Stau1 et Stau2, tous deux possédant divers isoformes produits suite à l’épissage alternatif de leur gène. Stau1 et Stau2 sont identiques à 50%. Les deux isoformes de Stau2, Stau259 et Stau262 ne diffèrent qu’en leur extrémité N-terminale. En effet, alors que Stau259 arbore un dsRBD1 tronqué, celui de Stau262 est complet. Ces observations introduisent une problématique très intéressante à laquelle nous nous sommes attaqué : ces différentes protéines, quoique très semblables, font-elles partie de complexes ribonucléoprotéiques distincts ayant des fonctions propres à chacun ou, au contraire, vu cette similarité de séquence, travaillent-elles de concert au sein des mêmes complexes ribonucléoprotéiques? Afin d’adresser cette question, nous avons entrepris d’isoler, à partir de cellules HEK293T, les différents complexes de Stau1 et Stau2 par la technique d’immunoprécipitation. Nous avons isolé les ARNm associés à chaque protéine, les avons identifiés grâce aux micropuces d’ADN et avons confirmé nos résultats par RT-PCR. Malgré la présence d’une population commune d’ARNm associée à Stau1 et Stau2, la majorité des transcrits identifiés furent spécifiques à chaque orthologue. Cependant, nous avons remarqué que les diverses populations d’ARNm participaient aux mêmes mécanismes de régulation, ce qui suggère que ces deux protéines possèdent des rôles complémentaires dans la mise en œuvre de divers phénomènes cellulaires. Au contraire, les transcrits associés à Stau259 et Stau262 sont davantage similaires, indiquant que celles-ci auraient des fonctions plutôt semblables. Ces résultats sont très intéressants, car pour la première fois, nous avons identifié des populations d’ARNm associées aux isoformes Stau155, Stau259 et Stau262. De plus, nous les avons analysées en parallèle afin d’en faire ressortir les populations spécifiques à chacune de ces protéines. Ensuite, connaissant l’importance de Stau2 dans le transport dendritique d’ARNm, nous avons cherché à caractériser les complexes ribonucléoprotéiques neuronaux associés à celle-ci. Dans un premier temps et à l’aide de la technique d’immunoprécipitation, nous avons identifié une population d’ARNm neuronaux associés à Stau2. Plus de 1700 ARNm montraient une présence d’au moins huit fois supérieure dans le précipité obtenu avec l’anticorps anti-Stau2 par rapport à celui obtenu avec le sérum pré-immun. Ces ARNm codent pour des protéines impliquées dans des processus de modifications post-traductionnelles, de traduction, de transport intracellulaire et de métabolisme de l’ARN. De façon intéressante, cette population d’ARNm isolée du cerveau de rat est relativement différente de celle caractérisée des cellules humaines HEK293T. Ceci suggère que la spécificité d’association Stau2-ARNm peut diffèrer d’un tissu à un autre. Dans un deuxième temps, nous avons isolé les protéines présentes dans les complexes ribonucléoprotéiques obtenus de cerveaux de rat et les avons identifiées par analyse en spectrométrie de masse. De cette façon, nous avons identifié au sein des particules de Stau2 des protéines liant l’ARN (PABPC1, hnRNPH1, YB1, hsc70), des protéines du cytosquelette (α- et β-tubuline), de même que la protéine peu caractérisée RUFY3. En poussant davantage la caractérisation, nous avons établi que YB1 et PABPC1 étaient associées à Stau2 grâce à la présence de l’ARN, alors que la protéine hsc70, au contraire, interagissait directement avec celle-ci. Enfin, cette dernière association semble être modulable par l’action de l’ATP. Ce résultat offre de nombreuses possibilités quant à la régulation de la fonction de Stau2 et/ou de son mRNP. Entre autres, cette étude suggère un mécanisme de régulation de la traduction au sein de ces particules. Pour faire suite à la caractérisation des mRNP de Stau, nous avons voulu déterminer au niveau neurophysiologique l’importance de ceux-ci. Comme l’étude de Stau2 avait déjà été entreprise préalablement par un autre laboratoire, nous avons décidé de concentrer notre étude sur le rôle de Stau1. Ainsi, nous avons démontré que celle-ci était nécessaire à la mise en place d’une forme de plasticité synaptique à long terme, la forme tardive de potentialisation à long terme ou L-LTP, dépendante de la transcription et de l’activité des récepteurs NMDA. La transmission de base, de même que la faculté de ces épines à faire de la E-LTP, la forme précoce de potentialisation à long terme, et la dépression à long terme ou LTD sont conservées. Ceci indique que les épines conservent la capacité d’être modulées. Ainsi, l’inhibition de la L-LTP, suite à la sous-expression de Stau1, n’est pas simplement due à la perte d’éléments fonctionnels, mais réside plutôt dans l’incapacité de ceux-ci à induire les changements synaptiques spécifiquement nécessaires à la mise en place de la L-LTP. De plus, au niveau synaptique, la sous-expression de Stau1 réduit à la fois l’amplitude et la fréquence des mEPSC. Ces résultats concordent avec l’observation que la sous-expression de Stau1 augmente significativement la proportion d’épines allongées et filopodales, des épines formant des synapses dites silencieuses. Par le fait même, elle diminue le nombre d’épines fonctionnelles, de forme dite normale. Ainsi, nous avons été en mesure de démontrer que l’absence, au niveau neuronal, de la protéine Stau1 induisait un déficit probable dans la localisation et/ou la traduction d’ARNm responsable de la restructuration de l’épine et de facteurs nécessaires à la mise en place de la L-LTP. En conclusion, nous avons participé à lever le voile sur la composition et l’importance des complexes ribonucléoprotéiques de Stau1 et Stau2. Nous avons identifié des populations distinctes et communes d’ARNm associées aux différents isoformes de Stau, à partir des mRNP présents au sein des cellules HEK293. De plus, nous avons réussi à mettre à l’avant plan certaines composantes des mRNP neuronaux de Stau2, dont un partenaire protéique direct, hsc70, partenaire dont l’association est modulable par l’action de l’ATP, ainsi qu’une population neuronale de transcrits d’ARNm. Enfin, nous avons mis en lumière l’importance de Stau1 dans la morphologie des épines dendritiques ainsi que dans le phénomène de la plasticité synaptique.