Fluorescence-based approaches towards the assessment of structural and functional alterations in lysosomes and vacuoles induced by lactoferrin and acetic acid

Dissertação de mestrado em Biofísica e Bionanossistemas

Plasmodium falciparum: nitric oxide modulates heme speciation in isolated food vacuoles.

Nitric oxide (NO) and NO-derived reactive nitrogen species (RNS) are present in the food vacuole (FV) of Plasmodium falciparum trophozoites. The product of PFL1555w, a putative cytochrome b(5), localizes in the FV membrane, similar to what was previously observed for the product of PF13_0353, a putative cytochrome b(5) reductase. These two gene products may contribute to NO generation by denitrification chemistry from nitrate and/or nitrite present in the erythrocyte cytosol. The possible coordination of NO to heme species present in the food vacuole was probed by resonance Raman spectroscopy. The spectroscopic data revealed that in situ generated NO interacts with heme inside the intact FVs to form ferrous heme nitrosyl complexes that influence intra-vacuolar heme solubility. The formation of heme nitrosyl complexes within the FV is a previously unrecognized factor that could affect the equilibrium between soluble and crystallized heme within the FV in vivo.

"In vitro" reconstitution of the fragmentation of vacuoles

Résumé La fragmentation des membranes est un processus commun à beaucoup d'organelles dans une cellule. Les mitochondries, le noyau, le réticulum endoplasmique, les phagosomes, les peroxisomes, l'appareil de Golgi et les lysosomes (vacuoles chez la levure) se fragmentent en plusieurs copies en réponse à des sitmulis environnementaux, tels que des stresses, ou dans une situtation normale durant le cycle cellulaire, afin d' être transférer dans les cellules filles. La fragmentation des membranes est également observée pendant le processus d'endocytose, lors de la formation de vésicules endocytiques, mais également dans tout le traffic intracellulaire, lors de la genèse d'une vésicule de transport. Le processus de fragmentation est donc généralement important. La découverte en 1991 d'une dynamin-like GTPase comme protéine impliquée dans la fragmentation de la membrane plasmique durant l'endocytose a ouvert ce domaine de recherche. Dès lors des dynamines ont été découvertes sur la pluspart des organelles, ce qui suggère un processus de fragmentation des membranes commun à l'ensemble de la cellule. Cependant, l'ensemble des protéines impliquées ainsi que le mécanisme de la fragmentation reste encore à élucider. Mon projet de thèse était d'établir un test in vitro de fragmentation des vacuoles utile à la compréhension du mécanisme de ce processus. Le choix de ce système est judicieux pour plusieurs raisons; premièrement les vacuoles fragmentent naturellement durant le cycle cellulaire, deuxièment leur taille permet de visualiser facilement leur morphologie par simple microscopie optique, finalement elles peuvent être isolées en quantité intéressante avec un haut degré de pureté. In vivo, les vacuoles peuvent être facilement fragmentées par un stress osmotique. Un tel test permet d'identifier des protéines impliquées dans le mécanisme comme dans le criblage que j'ai effectué sur l'ensemble de la collection de délétions des gènes non-essentiels chez la levure. Cependant un test in vitro est ensuite indispensable pour jouer avec les protéines découvertes afin d'en élucider le mécanisme. Avec mon test in vitro, j'ai confirmé l'implication des protéines SNAREs dans la fragmentation et j'ai permis de comprendre la régulation de la quantité de vacuoles et de leur taille par le complexe TORC1 dans une situation de stress. 7 Résumé large public Les cellules de chaque organisme sont composées de différents compartiments appelés organelles. Chacun possède une fonction bien définie afin de permettre la vie et la croissance de la cellule. Ils sont entourés de membrane, qui joue le role de barrière spécifiquement perméable, afin de garder l'intégrité de chacun. Dans des conditions de croissance normale, les cellules prolifèrent. Durant la division cellulaire amenant à la formation d'une nouvelle cellule, chaque organelle doit se diviser afin de fournir l'ensemble des organelles à la cellule fille. La division de chaque organelle nécessite la fragmentation de la membrane les entourant. Des protéines dynamine-like GTPase ont été découvertes sur presque l'ensemble des organelles d'une cellule. Elles sont impliquées dans les processus de fragmentation des membranes. Dès lors l'idée d'un mécanisme commun est apparu. Cependant cette réaction, par sa complexité, ne peut pas impliquer une protéine unique. La découverte d'autres facteurs et la compréhension du mécanisme reste à faire. La première étape peut se faire par étude in vivo, c'est-à-dire avec des cellules entières, la deuxième étape, quant à elle, nécessite d'isoler les protéines impliquées et de jouer avec les différents paramètres, ce qui signifie donc un travail in vitro, séparé des cellules. Mon travail a constisté à établir un procédé expérimental in vitro pour étudier la fragmentation des membranes. Je travaille avec des vacuoles de levures pour étudier les réactions membranaires. Les vacuoles sont les plus grandes organelles présentes dans les levures. Elles sont impliquées principalement dans la digestion. Comme toute organelle, elles se fragmentent durant la division cellulaire. Le procédé expérimental comporte une première étape, l'isolation des vacuoles et, deuxièmement, l'incubation de celles-ci avec des composés essentiels à la réaction. En parallèle, j'ai mis en évidence, par un travail in vivo, de nouvelles protéines impliquées dans le processus de fragmentation des membranes. Ceci a été fait en réalisant un criblage par microscopie d'une collection de mutants. Parmi ces mutants, j'ai cherché ceux qui présentaient un défaut dans la fragmentation des vacuoles. Ces deux procédés expérimentaux, in vitro et in vivo, m'ont permis de découvrir de nouvelles protéines impliquées dans cette réaction, ainsi que de mettre en évidence un mécanisme utlilisé par la cellule pour réguler la fragmentation des vacuoles. 8 Summary Fragmentation of membranes is common for many organelles in a cell. Mitochondria, nucleus, endoplasmic reticulum, phagosomes, peroxisomes, Golgi and lysosomes (vacuoles in yeast) fragment into multiple copies in response to environmental stimuli, such as stresses, or in a normal situation during the cell cycle in order to be transferred into the daughter cell. Fragmentation of membrane occurs during endocytosis, at the latest step in endocytic vesicle formation, and also in intracellular trafficking, when traffic vesicles bud. This field of research was opened in 1991 when a dynamin-like GTPase was found to be involved in fragmentation of the plasma membrane during endocytosis. Since dynamin-like GTPases have been found on most organelles, similarities in their mechanisms of fragmentation might exist. However, many proteins involved in the mechanism of fragmentation remain unknown. My thesis project was to establish an in vitro assay for membrane fragmentation in order to create a tool to study the mechanism of this process. I chose vacuoles as a model organelle for several reasons: first of all, vacuoles fragment under physiological conditions during cell cycle, secondly their size makes their morphology easily visible under the light microscope, and finally vacuoles can be isolated in good amounts with relatively high degrees of purity. In vivo, vacuole fragmentation can be induced with an osmotic shock. Such a simple assay facilitates the identification of new proteins involved in the process. I used this tool to screen of the entire knockout collection of non-essential genes in Saccharomyces cerevisiae for mutants defective in vacuole fragmentation. The in vitro system will be useful to characterize the mutants and to study the mechanism of fragmentation in detail. I used my in vitro assay to confirm the involvement of vacuolar SNARE proteins in fragmentation of the organelle and to uncover that number and size of vacuoles in the cell is regulated by the TORC1 complex via selective stimulation of fragmentation activity.

Coupled synthesis and translocation restrains polyphosphate to acidocalcisome-like vacuoles and prevents its toxicity.

Eukaryotes contain inorganic polyphosphate (polyP) and acidocalcisomes, which sequester polyP and store amino acids and divalent cations. Why polyP is sequestered in dedicated organelles is not known. We show that polyP produced in the cytosol of yeast becomes toxic. Reconstitution of polyP translocation with purified vacuoles, the acidocalcisomes of yeast, shows that cytosolic polyP cannot be imported, whereas polyP produced by the vacuolar transporter chaperone (VTC) complex, an endogenous vacuolar polyP polymerase, is efficiently imported and does not interfere with growth. PolyP synthesis and import require an electrochemical gradient, probably as a driving force for polyP translocation. VTC exposes its catalytic domain to the cytosol and carries nine vacuolar transmembrane domains. Mutations in the VTC transmembrane regions, which are likely to constitute the translocation channel, block not only polyP translocation but also synthesis. Given that they are far from the cytosolic catalytic domain of VTC, this suggests that the VTC complex obligatorily couples synthesis of polyP to its import in order to avoid toxic intermediates in the cytosol. Sequestration of otherwise toxic polyP might be one reason for the existence of acidocalcisomes in eukaryotes.

Differential phosphoproteomics of fragmenting yeast vacuoles

Many organelles exist in an equilibrium of fragmentation into smaller units and fusion into larger structures, which is coordinated with cell division, the increase in cell mass, and envi¬ronmental conditions. In yeast cells, organelle homeostasis can be studied using the yeast vacuole (lysosome) as a model system. Yeast vacuoles are the main compartment for degrada¬tion of cellular proteins and storage of nutrients, ions and metabolites. Fission and fusion of vacuoles can be induced by hyper- and hypotonic shock in vivo, respectively, and have also been reconstituted in vitro using isolated vacuoles. The conserved serine/threonine kinase TOR (target of rapamycin) is a central nutrient sensor and regulates cell growth and metabolism. In yeast, there are two TOR proteins, Torlp and Tor2p, which are part of larger protein complexes, TORCI and TORC2. Only TORCI is rapamycin-sensitive. Disregulation of TOR signaling is linked to a multitude of diseases in humans, e.g. cancer, neurodegenerative diseases and metabolic syndrome. It has been shown that TORCI localizes to the vacuole membrane, and recent findings of our laboratory demonstrated that TORCI positively regulates vacuole fragmentation. This suggests that the fragmentation machinery should contain target proteins phosphorylated by TORCI. I explored the rapamycin-and fission-dependent vacuolar phosphoproteome during frag¬mentation, using a label-free mass-spectrometry approach. I identified many vacuolar factors whose phosphorylation was downregulated in a TORCI- and fission-dependent manner. Among them were known protein complexes that are functionally linked to fission or fusion, like the HOPS, VTC and FAB1 complexes. Hence, TORCI-dependent phosphorylations might positively regulate vacuole fission. Several candidates were chosen for detailed microscopic analysis of in vivo vacuole frag-mentation, using deletion mutants. I was able to identify novel factors not previously linked to fission phenotypes, e.g. the SEA complex, Pib2, and several vacuolar amino acid transporters. Transport of neutral and basic amino acids across the membrane seems to control vacuole fission, possibly via TORCI. I analyzed vacuolar fluxes of amino acids in wildtype yeast cells and found evidence for a selective vacuolar export of basic amino acids upon hyperosmotic stress. This leads me to propose a model where vacuolar export of amino acids is necessary to reshape the organelle under salt stress. - Le nombre et la taille de certaines organelles peut être déterminé par un équilibre entre la fragmentation qui produit des unités plus petites et la fusion qui génère des structures plus larges. Cet équilibre est coordonné avec la division cellulaire, l'augmentation de la masse cellulaire, et les conditions environnementales. Dans des cellules de levure, l'homéostasie des organelles peut être étudié à l'aide d'un système modèle, la vacuole de levure (lysosome). Les vacuoles constituent le principal compartiment de la dégradation des protéines et de stockage des nutriments, des ions et des métabolites. La fragmentation et la fusion des vacuoles peuvent être respectivement induites par un traitement hyper- ou hypo-tonique dans les cellules vivantes. Ces processus ont également été reconstitués in vitro en utilisant des vacuoles isolées. La sérine/thréonine kinase conservée TOR (target of rapamycin/cible de la rapamycine) est un senseur de nutriments majeur qui régule la croissance cellulaire et le métabolisme. Chez la levure, il existe deux protéines TOR, Torlp et Tor2p, qui sont les constituants de plus grands complexes de protéines, TORCI et TORC2. TORCI est spécifiquement inhibé par la rapamycine. Une dysrégulation de la signalisation de TOR est liée à une multitude de maladies chez l'homme comme le cancer, les maladies neurodégénératives et le syndrome métabolique. Il a été montré que TORCI se localise à la membrane vacuolaire et les découvertes récentes de notre laboratoire ont montré que TORCI régule positivement la fragmentation de la vacuole. Ceci suggère que le mécanisme de fragmentation doit être contrôlé par la phosphorylation de certaines protéines cibles de TORCI. J'ai exploré le phosphoprotéome vacuolaire lors de la fragmentation, en présence ou absence de rapamycine et dans des conditions provoquant la fragmentation des organelles. La méthode choisie pour réaliser la première partie de ce projet a été la spectrométrie de masse différentielle sans marquage. J'ai ainsi identifié plusieurs facteurs vacuolaires dont la phosphorylation est régulée d'une manière dépendante de TORCI et de la fragmentation. Parmi ces facteurs, des complexes protéiques connus qui sont fonctionnellement liées à fragmentation ou la fusion, comme les complexes HOPS, VTC et FAB1 ont été mis en évidence. Par conséquent, la phosphorylation dépendante de TORCI peut réguler positivement la fragmentation des vacuoles. Plusieurs candidats ont été choisis pour une analyse microscopique détaillée de la fragmentation vacuolaire in vivo en utilisant des mutants de délétion. J'ai été en mesure d'identifier de nouveaux facteurs qui n'avaient pas été encore associés à des phénotypes de fragmentation tels que les complexes SEA, Pib2p, ainsi que plusieurs transporteurs vacuolaires d'acides aminés. Le transport des acides aminés à travers la membrane semble contrôler la fragmentation de la vacuole. Puisque ces transporteurs sont phosphorylés par TORCI, ces résultats semblent confirmer la

The V-ATPase proteolipid cylinder promotes the lipid-mixing stage of SNARE-dependent fusion of yeast vacuoles.

The V-ATPase V(0) sector associates with the peripheral V(1) sector to form a proton pump. V(0) alone has an additional function, facilitating membrane fusion in the endocytic and late exocytic pathways. V(0) contains a hexameric proteolipid cylinder, which might support fusion as proposed in proteinaceous pore models. To test this, we randomly mutagenized proteolipids. We recovered alleles that preserve proton translocation, normal SNARE activation and trans-SNARE pairing but that impair lipid and content mixing. Critical residues were found in all subunits of the proteolipid ring. They concentrate within the bilayer, close to the ring subunit interfaces. The fusion-impairing proteolipid substitutions stabilize the interaction of V(0) with V(1). Deletion of the vacuolar v-SNARE Nyv1 has the same effect, suggesting that both types of mutations similarly alter the conformation of V(0). Also covalent linkage of subunits in the proteolipid cylinder blocks vacuole fusion. We propose that a SNARE-dependent conformational change in V(0) proteolipids might stimulate fusion by creating a hydrophobic crevice that promotes lipid reorientation and formation of a lipidic fusion pore.

Characterization of polyphosphate synthesis by isolated yeast vacuoles

Polyphosphate (iPOP) is a linear polymer of orthophosphate units linked together by high energy phosphoanhydride bonds. It is found in all organisms, localized in organelles called acidocalcisomes and ranges from a few to few hundred monomers in length. iPOP has been found to play a vast array of roles in all organisms, including phosphate and energy metabolism, regulation of enzymes, virulence, pathogenicity, bone remodelling and blood clotting, among many others. Recently it was found that iPOP levels were increased in myeloma cells. The growing interest in iPOP in human cell lines makes it an interesting molecule to study. However, not much is known about its metabolism in eukaryotes. Acidocalcisomes are electron dense, acidic organelles that belong to the group of Lysosome Related Organelles (LROs). The conservation of acidocalcisomes among all kingdoms of life is suggestive of their important roles for the organisms. However, they are difficult to analyse because of limited biochemical tools for investigation. Yeast vacuoles present remarkable similarities to acidocalcisomes in terms of their physiological and structural features, including synthesis and storage of iPOP, which make them an ideal candidate to study biological processes which are shared between vacuoles and acidocalcisomes. The availability of tools for genetic manipulation and isolation of vacuoles makes yeast a candidate of choice for the characterization of iPOP synthesis in eukaryotes. Our group has identified the Vacuolar Transporter Chaperone (VTC) complex as iPOP polymerase and identified the catalytic subunit (Vtc4). The goal of my study was to characterize the process of iPOP synthesis by isolated vacuoles and to reconstitute iPOP synthesis in liposomes. The first step was to develop a method for monitoring iPOP by isolated vacuoles over time and comparing it with previously known methods. Next, a detailed characterization was performed to determine the modulators of the process, both for intact as well as solubilized vacuoles. Finally, attempts were made to purify the VTC complex and reconstitute it in liposomes. A parallel line of study was the translocation and storage of synthesized iPOP in the lumen of the vacuoles. As a result of this study, it is possible to determine distinct pools of iPOP- inside and outside the vacuolar lumen. Additionally, I establish that the vacuolar lysate withstands harsh steps during reconstitution on liposomes and retains iPOP synthesizing activity. The next steps will be purification of the intact VTC complex and its structure determination by cryo-electron microscopy. - Les organismes vivants sont composés d'une ou plusieurs cellules responsables des processus biologiques élémentaires tels que la digestion, la respiration, la synthèse et la reproduction. Leur environnement interne est en équilibre et ils réalisent un très grand nombre de réactions chimiques et biochimiques pour maintenir cet équilibre. A différents compartiments cellulaires, ou organelles, sont attribuées des tâches spécifiques pour maintenir les cellules en vie. L'étude de ces fonctions permet une meilleure compréhension de la vie et des organismes vivants. De nombreux processus sont bien connus et caractérisés mais d'autres nécessitent encore des investigations détaillées. L'un de ces processus est le métabolisme des polyphosphates. Ces molécules sont des polymères linéaires de phosphate inorganique dont la taille peut varier de quelques dizaines à quelques centaines d'unités élémentaires. Ils sont présents dans tous les organismes, des bactéries à l'homme. Ils sont localisés principalement dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes, des organelles acides observés en microscopie électronique comme des structures denses aux électrons. Les polyphosphates jouent un rôle important dans le stockage et le métabolisme de l'énergie, la réponse au stress, la virulence, la pathogénicité et la résistance aux drogues. Chez l'homme, ils sont impliqués dans la coagulation du sang et le remodelage osseux. De nouvelles fonctions biologiques des polyphosphates sont encore découvertes, ce qui accroît l'intérêt des chercheurs pour ces molécules. Bien que des progrès considérables ont été réalisés afin de comprendre la fonction des polyphosphates chez les bactéries, ce qui concerne la synthèse, le stockage et la dégradation des polyphosphates chez les eucaryotes est mal connu. Les vacuoles de la levure Saccharomyces cerevisiae sont similaires aux acidocalcisomes des organismes supérieurs en termes de structure et de fonction. Les acidocalcisomes sont difficiles à étudier car il n'existe que peu d'outils génétiques et biochimiques qui permettent leur caractérisation. En revanche, les vacuoles peuvent être aisément isolées des cellules vivantes et manipulées génétiquement. Les vacuoles comme les acidocalcisomes synthétisent et stockent les polyphosphates. Ainsi, les découvertes faites grâce aux vacuoles de levures peuvent être extrapolées aux acidocalcisomes des organismes supérieurs. Le but de mon projet était de caractériser la synthèse des polyphosphates par des vacuoles isolées. Au cours de mon travail de thèse, j'ai mis au point une méthode de mesure de la synthèse des polyphosphates par des organelles purifés. Ensuite, j'ai identifié des composés qui modulent la réaction enzymatique lorsque celle-ci a lieu dans la vacuole ou après solubilisation de l'organelle. J'ai ainsi pu mettre en évidence deux groupes distincts de polyphosphates dans le système : ceux au-dehors de la vacuole et ceux en-dedans de l'organelle. Cette observation suggère donc très fortement que les vacuoles non seulement synthétisent les polyphosphates mais aussi transfère les molécules synthétisées de l'extérieur vers l'intérieur de l'organelle. Il est très vraisemblable que les vacuoles régulent le renouvellement des polyphosphates qu'elles conservent, en réponse à des signaux cellulaires. Des essais de purification de l'enzyme synthétisant les polyphosphates ainsi que sa reconstitution dans des liposomes ont également été entrepris. Ainsi, mon travail présente de nouveaux aspects de la synthèse des polyphosphates chez les eucaryotes et les résultats devraient encourager l'élucidation de mécanismes similaires chez les organismes supérieurs. - Les polyphosphates (iPOP) sont des polymères linéaires de phosphates inorganiques liés par des liaisons phosphoanhydres de haute énergie. Ces molécules sont présentes dans tous les organismes et localisées dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes. Elles varient en taille de quelques dizaines à quelques centaines d'unités phosphate. Des fonctions nombreuses et variées ont été attribuées aux iPOP dont un rôle dans les métabolismes de l'énergie et du phosphate, dans la régulation d'activités enzymatiques, la virulence, la pathogénicité, le remodelage osseux et la coagulation sanguine. Il a récemment été montré que les cellules de myélome contiennent une grande quantité de iPOP. Il y donc un intérêt croissant pour les iPOP dans les lignées cellulaires humaines. Cependant, très peu d'informations sur le métabolisme des iPOP chez les eucaryotes sont disponibles. Les acidocalcisomes sont des compartiments acides et denses aux électrons. Ils font partie du groupe des organelles similaires aux lysosomes (LROs pour Lysosome Related Organelles). Le fait que les acidocalcisomes soient conservés dans tous les règnes du vivant montrent l'importance de ces compartiments pour les organismes. Cependant, l'analyse de ces organelles est rendue difficile par l'existence d'un nombre limité d'outils biochimiques permettant leur caractérisation. Les vacuoles de levures possèdent des aspects structuraux et physiologiques très similaires à ceux des acidocalcisomes. Par exemple, ils synthétisent et gardent en réserve les iPOP. Ceci fait des vacuoles de levure un modèle idéal pour l'étude de processus biologiques conservés chez les vacuoles et les acidocalcisomes. De plus, la levure est un organisme de choix pour l'étude de la synthèse des iPOP compte-tenu de l'existence de nombreux outils génétiques et la possibilité d'isoler des vacuoles fonctionnelles. Notre groupe a identifié le complexe VTC (Vacuole transporter Chaperone) comme étant responsable de la synthèse des iPOP et la sous-unité Vtc4p comme celle possédant l'activité catalytique. L'objectif de cette étude était de caractériser le processus de synthèse des iPOP en utilisant des vacuoles isolées et de reconstituer la synthèse des iPOP dans des liposomes. La première étape a consisté en la mise au point d'un dosage permettant la mesure de la quantité de iPOP synthétisés par les organelles isolés en fonction du temps. Cette nouvelle méthode a été comparée aux méthodes décrites précédemment dans la littérature. Ensuite, la caractérisation détaillée du processus a permis d'identifier des composés modulateurs de la réaction à la fois pour des vacuoles intactes et des vacuoles solubilisées. Enfin, des essais de purification du complexe VTC et sa reconstitution dans des liposomes ont été entrepris. De façon parallèle, une étude sur la translocation et le stockage des iPOP dans le lumen des vacuoles a été menée. Il a ainsi été possible de mettre en évidence différents groupes de iPOP : les iPOP localisés à l'intérieur et ceux localisés à l'extérieur des vacuoles isolées. De plus, nous avons observé que le lysat vacuolaire n'est pas détérioré par les étapes de reconstitution dans les liposomes et conserve l'activité de synthèse des iPOP. Les prochaines étapes consisteront en la purification du complexe intact et de la détermination de sa structure par cryo-microscopie électronique.

Yeast vacuoles fragment in an asymmetrical two-phase process with distinct protein requirements.

Yeast vacuoles fragment and fuse in response to environmental conditions, such as changes in osmotic conditions or nutrient availability. Here we analyze osmotically induced vacuole fragmentation by time-lapse microscopy. Small fragmentation products originate directly from the large central vacuole. This happens by asymmetrical scission rather than by consecutive equal divisions. Fragmentation occurs in two distinct phases. Initially, vacuoles shrink and generate deep invaginations that leave behind tubular structures in their vicinity. Already this invagination requires the dynamin-like GTPase Vps1p and the vacuolar proton gradient. Invaginations are stabilized by phosphatidylinositol 3-phosphate (PI(3)P) produced by the phosphoinositide 3-kinase complex II. Subsequently, vesicles pinch off from the tips of the tubular structures in a polarized manner, directly generating fragmentation products of the final size. This phase depends on the production of phosphatidylinositol-3,5-bisphosphate and the Fab1 complex. It is accelerated by the PI(3)P- and phosphatidylinositol 3,5-bisphosphate-binding protein Atg18p. Thus vacuoles fragment in two steps with distinct protein and lipid requirements.

Large nuclear vacuoles are indicative of abnormal chromatin packaging in human spermatozoa

The aim of this investigation was to determine the presence of abnormal sperm chromatin packaging in spermatozoa with large nuclear vacuoles (LNV) selected via high magnification by analysing the pattern of chromomycin A3 (CMA3) staining. A prospective observational study was designed to analyse semen samples obtained from 66 men undergoing infertility diagnosis and treatment. The numbers of cells with normal (dull yellow staining of the sperm head/CMA3-negative) and abnormal (bright yellow fluorescence of the sperm head/CMA3-positive) chromatin packaging were determined on slides with normal and LNV spermatozoa. The presence of bright yellow fluorescence (CMA3-positive) was significantly higher (p < 0.0001) in spermatozoa with LNV than in normal spermatozoa (719/1351; 53.2% vs. 337/835; 40.3%, respectively), reflecting a higher percentage of abnormal chromatin packaging in spermatozoa with large LNV. Our data support the hypothesis that the presence of LNV reflects the presence of abnormal chromatin packaging, which may facilitate sperm DNA damage. As sperm nuclear vacuoles are evaluated more precisely at high magnifications using motile sperm organelle morphology examination (MSOME), the present results support the use of high-magnification sperm selection for intracytoplasmic sperm injection (ICSI).

Significance of large nuclear vacuoles in human spermatozoa: implications for ICSI

The aim of this study was to determine the extent of DNA fragmentation and the presence of denatured single-stranded or normal double-stranded DNA in spermatozoa with large nuclear vacuoles (LNV) selected by high magnification. Fresh semen samples from 30 patients were prepared by discontinuous isolate concentration gradient. Spermatozoa with normal nucleus (NN) and LNV were selected at x8400 magnification and placed on different slides. DNA fragmentation was determined by TUNEL assay. Denatured and double-stranded DNA was identified by the acridine orange fluorescence method. DNA fragmentation in spermatozoa with LNV (29.1%) was significantly higher (P < 0.001) than in spermatozoa with NN (15.9%). Therefore, cleavage of genomic DNA in low molecular weight DNA fragments (mono- and oligonucleosomes), and single-strand breaks (nicks) in high molecular weight DNA occur more frequently in spermatozoa with LNV. Similarly, the percentage of denatured-stranded DNA in spermatozoa with LNV (67.9%) was significantly higher (P < 0.0001) than in spermatozoa with NN (33.1%). The high level of denatured DNA in spermatozoa with LNV suggests precocious decondensation and disaggregation of sperm chromatin fibres. The results show an association between LNV and DNA damage in spermatozoa, and support the routine morphological selection and injection of motile spermatozoa at high magnification for ICSI.

Motile sperm organelle morphology examination (MSOME): intervariation study of normal sperm and sperm with large nuclear vacuoles

Background: Although the motile sperm organelle morphology examination (MSOME) was developed only as a selection criterion, its application as a method for classifying sperm morphology may represent an improvement in evaluation of semen quality, with potential clinical repercussions. The present study aimed to evaluate individual variations in the motile sperm organelle morphology examination (MSOME) analysis after a time interval.Methods: Two semen samples were obtained from 240 men from an unselected group of couples undergoing infertility investigation and treatment. Mean time interval between the two semen evaluations was 119 +/- 102 days. No clinical or surgical treatment was realized between the two observations. Spermatozoa were analyzed at greater than or equal to 8400 x magnification by inverted microscope equipped with DIC/Nomarski differential interference contrast optics. At least 200 motile spermatozoa per semen sample were evaluated and percentages of normal spermatozoa and spermatozoa with large nuclear vacuoles (LNV/one or more vacuoles occupying >50% of the sperm nuclear area) were determined. A spermatozoon was classified as morphologically normal when it exhibited a normal nucleus (smooth, symmetric and oval nucleus, width 3.28 +/- 0.20 mu m, length 4.75 +/- 0.20 mu m/absence of vacuoles occupying >4% of nuclear area) as well as acrosome, post-acrosomal lamina, neck and tail, besides not presenting cytoplasm around the head. One examiner, blinded to subject identity, performed the entire study.Results: Mean percentages of morphologically normal and LNV spermatozoa were identical in the two MSOME analyses (1.6 +/- 2.2% vs. 1.6 +/- 2.1% P = 0.83 and 25.2 +/- 19.2% vs. 26.1 +/- 19.0% P = 0.31, respectively). Regression analysis between the two samples revealed significant positive correlation for morphologically normal and for LNV spermatozoa (r = 0.57 95% CI: 0.47-0.65 P < 0.0001 and r = 0.50 95% CI: 0.38-0.58 P < 0.0001, respectively).Conclusions: The significant positive correlation and absence of differences between two sperm samples evaluated after a time interval with respect to normal morphology and LNV spermatozoa indicated that MSOME seems reliable (at least for these two specific sperm forms) for analyzing semen. The present result supports the future use of MSOME as a routine method for semen analysis.

Combined TUNEL and TRAP methods suggest that apoptotic bone cells are inside vacuoles of alveolar bone osteoclasts in young rats

Although it is generally accepted that osteoclasts breakdown and resorb bone matrix, the possibility that they may also be able to engulf apoptotic osteoblasts/ lining cells and/or osteocytes remains controversial. Apoptosis of osteoblasts/ lining cells and/or osteocytes and interactions between these cells and osteoclasts are extremely rapid events that are difficult to observe in viva. A suitable in viva model for studying these events is the alveolar bone of young rats because it is continuously. Thus, sections of aldehyde fixed alveolar undergoing intense resorption/remodeling bone of young rats were stained by the combined terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick end labeling (TUNEL) method and the tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) method for the simultaneous visualization of apoptotic cells and osteoclasts in the same section. The combined TUNEL and TRAP reactions, in the same section, greatly facilitated visualization of relationship between osteoclasts and apoptotic bone cells during alveolar bone remodeling. Our results showed that several TRAP-positive osteoclasts exhibited large vacuoles containing TUNEL positive apoptotic structures, probably derived from osteoblasts/lining cells and/or osteocytes. These results support the idea that alveolar bone osteoclasts are able to internalize dying apoptotic bone cells.

What's the signification of nuclear vacuoles in human sperm?

The aim of this study was to determine the extent of DNA fragmentation and the presence of single/denatured or double stranded of DNA in sperm with large nuclear vacuoles (LNV) selected by high-magnification. A total of 30 patients had fresh semen samples prepared by discontinuous concentration gradient. Sperm with normal nucleus (NN) and LNV were selected at 8400x magnification and placed in different slides. DNA fragmentation was determined by TUNEL assay. Denatured and double stranded DNA was identified by acridine orange fluorescence method. The percentage of DNA fragmentation in LNV sperm (29%) was significantly higher (P<0.001) than NN sperm (15.8%). Therefore, cleavage of genomic DNA in low molecular weight DNA fragments (mono and oligonucleosomes), and single strand breaks (nicks) in high molecular weight DNA occur more frequently in LNV. Identically, the percentage denatured stranded DNA in sperm with LNV (67.9%) was significantly higher (P <0.0001) than NN sperm (33%). The high level of denatured DNA in sperm with LNV suggests precocious decondensation and disaggregation of sperm chromatin fibers. Our results support an association between LNV sperm and DNA damage, and the routine selection and injection of morphological motile sperm at high magnification for ICSI. The adverse effect (DNA fragmentation or denaturation) leads to concern particularly about the possibility of iatrogenic transmission of genetic abnormalities. Copyright - SBRA - Sociedade Brasileira de Reprodução Assistida.