Extrazelulläre Purine und Pyrimidine sind wichtige Signalmoleküle, die über membranständige Rezeptoren, so genannte purinerge Rezeptoren ihre biologischen Effekte vermitteln. In der vorliegenden Arbeit wurden ATP-induzierte Antworten in den Stützzellen des olfaktorischen Epithels mit Hilfe der Calcium-Imaging-Technik charakterisiert.Die Applikation von ATP induzierte Zunahmen der intrazellulären Kalziumkonzentration ([Ca2+]i) sowohl in Anwesenheit, als auch in Abwesenheit von extrazellulärem Kalzium. Anders bei Anwendung von CPA, einem spezifischen Hemmstoff der Ca2+-ATPase des sarkoplasmatischen bzw. endoplasmatischen Retikulums. In diesen Versuchen wurden die ATP-induzierten [Ca2+]i-Zunahmen komplett aufgehoben. Das zeigt, dass die ATP-induzierten [Ca2+]i-Zunahmen in Stützzellen größtenteils, wenn nicht vollständig, durch die Aktivierung von G-Protein gekoppelten P2Y-Rezeptoren ausgelöst werden. Die ermittelte Wirkpotenz purinerger Agonisten war UTP>ATP>ATPγS. Die ATP-induzierten [Ca2+]i-Zunahmen konnten durch die purinergen Antagonisten PPADS und RB2 reduziert werden. Die hemmende Wirkung des purinergen Antagonisten Suramin blieb aus. Zusammen weisen die oben genannten Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass extrazelluläre Nukleotide die Stützzellen des olfaktorischen Epithels über P2Y2 / P2Y4-artige Rezeptoren aktivieren. Zusätzlich zeigten die Versuche mit dem Ektonukleotidase-Hemmstoff ARL 67156, dass im olfaktorischen Epithel von larvalen Xenopus laevis eine hohe Ektonukleotidasenaktivität herrscht.

Proteins are known to form functional clusters in plasma membranes. In order to identify individual proteins within clusters we developed a method to visualize by atomic force microscopy (AFM) the cytoplasmic surface of native plasma membrane, excised from Xenopus laevis oocyte and spread on poly-L-lysine coated glass. After removal of the vitelline membrane intact oocytes were brought in contact with coated glass and then rolled off. Inside-out oriented plasma membrane patches left at the glass surface were first identified with the lipid fluorescent marker FM1-43 and then scanned by AFM. Membrane patches exhibiting the typical phospholipid bilayer height of 5 nm showed multiple proteins, protruding from the inner surface of the membrane, with heights of 5 to 20 nm. Modelling plasma membrane proteins as spherical structures embedded in the lipid bilayer and protruding into the cytoplasm allowed an estimation of the respective molecular masses. Proteins ranged from 35 to 2,000 kDa with a peak value of 280 kDa. The most frequently found membrane protein structure (40/μm2) had a total height of 10 nm and an estimated molecular mass of 280 kDa. Membrane proteins were found firmly attached to the poly-L-lysine coated glass surface while the lipid bilayer was found highly mobile. We detected protein structures with distinguishable subunits of still unknown identity. Since X. laevis oocyte is a generally accepted expression system for foreign proteins, this method could turn out to be useful to structurally identify specific proteins in their native environment at the molecular level. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, inwieweit die Reproduktionsbiologie von aquatischen Lebewesen durch die Gewässerbelastung mit endokrin wirksamen Substanzen (endocrine disruptors, ED) beeinflusst wird. Mit dem Amphib Xenopus laevis steht ein etabliertes Studienmodell zur Untersuchung der Wirkungen von ED auf die Reproduktionsbiologie zur Verfügung, das für die vorliegenden Studien modifiziert und erweitert sowie mit gewässeranalytischen Methoden verknüpft wurde. Die Gefährdung wasserlebender Tiere durch Gewässerbelastung mit ED kann erfasst werden, indem die Wirkung einer ausgewählten Einzelsubstanz auf die Reproduktionsbiologie untersucht wird. Anschließend erfolgt ein Nachweis der Substanz in Umweltproben. Durch Expositionsversuche, histologische Untersuchungen und Expressionsnachweis eines molekularen östrogenen Biomarkers konnte festgestellt werden, dass Bisphenol A (BPA) in Kaulquappen von Xenopus laevis verweiblichend wirkt und seine Effekte über eine Bindung an den Östrogenrezeptor vermittelt. Chemische Analysen während der Expositionsversuche zeigten, dass BPA von den Kaulquappen aufgenommen wird und dass eine geringe Abbaubarkeit der Substanz während eines Zeitraums von 48 Stunden besteht. Die Analyse von BPA in Wasserproben, die aus dem Fluss Alb oder aus Kläranlagenausläufen stammten, zeigte, dass BPA im Gewässer in relevanten Konzentrationen vorhanden ist und hauptsächlich durch eine Kläranlage in den Fluss eingeleitet wird. In einem Gewässer liegt allerdings ein Gemisch aus unterschiedlichen ED mit verschiedenen Wirkmechanismen vor. Die Gewässerbelastung mit endokrin wirksamen Substanzen kann weiterhin untersucht werden, indem Gewässerextrakte fraktioniert und in in vitro-Screeningmethoden getestet werden. Als Screeningmethoden dienten Rezeptorbindungsstudien an Östrogen- und Androgenrezeptoren sowie die Behandlung von Leberzellkulturen mit den Gewässerextrakten aus der Alb, um eine Regulation der Expression bestimmter Biomarkergene durch potenzielle ED nachzuweisen. Dazu wurde als neuer (anti)androgener und (anti)östrogener Biomarker das Retinol-binding Protein eingeführt. Die Untersuchung der Gewässerextrakte mit diesen Methoden zeigte, dass die Alb eine Belastung mit endokrin wirksamen Substanzen aufweist und dass hauptsächlich östrogen wirksame Substanzen vorkommen. Die Proben aus den Kläranlagenausläufen weisen die höchste endokrine Aktivität auf. / The present study examined the influence of endocrine active compounds (endocrine disruptors, ED), which are present in surface waters, on reproductive biology of aquatic organisms. The amphibian Xenopus laevis is a well-established model organism for the study of effects of ED on reproduction. It has been modified and broadened for the purpose of this study, and it was combined with chemical methods for water analyses. It is possible to assess water pollution with ED by detecting effects on repro-ductive biology of one particular substance, and then by looking for this substance in environmental water samples. We showed the feminizing potency of Bisphenol A (BPA) in conducting exposure experiments with tadpoles, in examining histological samples of gonads and in detecting the induction of the expression of a molecular estrogenic biomarker. BPA was recognized to mediate its effects via binding to the estrogen receptor. Moreover, analysis of BPA during exposure experiments revealed that BPA is taken up by tadpoles and is not readily degradable during a time period of 48 hours. Chemical analyses of environmental water samples from the river Alb or samples from sewage treatment works (STW) showed that BPA is released into the environment by STW effluents. In surface waters, there are different kinds of ED with different modes of action. Thus, it is another possibility to assess water pollution with ED by fractionating environmental water samples and by testing these fractions in rapid in vitro-screening methods. In the present work, receptor binding assays were carried out, both examining the binding to estrogen and androgen receptors. Furthermore, Xenopus laevis hepatocyte cultures were treated with fractions of environmental samples and biomarker expression was detected. A new biomarker to assess (anti)androgenic or (anti)estrogenic modes of action, respectively, was established. This new biomarker was the Retinol-binding Protein. The results obtained by these methods revealed that the river Alb is mainly polluted with estrogenic ED. Samples from STW effluents possessed the highest endocrine activity.

Hormonell wirksame Chemikalien, wie Pflanzenschutzmittel oder Pharmaka gelangen durch Abwässer in die Umwelt und akkumulieren vor allem in Oberflächengewässern. Ein erhöhtes Augenmerk liegt auf Substanzen, die durch (anti)androgene und (anti)östrogene Wirkungsweise die Reproduktion von Tieren und Menschen beeinträchtigen. Bei den bisherigen Nachweismethoden für diese Stoffe handelt es sich um invasive Methoden, die das Töten der Tiere beinhalten. Diesen Methoden mangelt es jedoch an der nötigen Sensitivität, um umweltrelevante Konzentrationen der endokrinen Disruptoren (EDs) nach Kurzzeitexposition nachweisen zu können, sowie am Vermögen, alle vier Wirkmechanismen (androgen, antiandrogen, östrogen und antiöstrogen) mit einer einzelnen Testmethode feststellen und unterscheiden zu können. In dieser Studie wurde deshalb mit Hilfe männlicher Afrikanischer Krallenfrösche (Xenopus laevis) eine Testmethode entwickelt, bei der die Frösche verschiedenen (anti)androgenen und (anti)östrogenen EDs ausgesetzt wurden und ihr Rufverhalten untersucht wurde. Diese nicht-invasive Methode erwies sich als schnell und höchst sensitiv. Zudem war es erstmals möglich, die vier verschiedenen Wirkmechanismen allein anhand veränderter Ruftypen und Rufparameter zu bestimmen und zu unterscheiden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass bei Anwendung dieser Methode die Möglichkeit besteht, die Versuchstiere in weiteren Tests wiederzuverwenden, da die Rufparameter nach einer expositionsfreien Zeit von sechs Wochen wieder Kontrollwerte erreichten. Zusammengefasst kann die hier vorgestellte verhaltensphysiologische und damit nicht-invasive Methode als Biomarker für den Nachweis von (anti)androgenen und (anti)östrogenen EDs verwendet werden. Ferner zeigt die hohe Sensitivität des Tests, sowie die Möglichkeit der vollautomatischen Analyse enormer Datenmengen, dass dieser schnelle Verhaltenstest ein großes Potential hat, ein sensitiver, standardisierter und nicht-invasiver Biomarker zu werden. / Endocrine disrupting compounds (EDCs), such as herbicides, pesticides or pharmaceuticals enter the environment via sewage effluents and especially accumulate in surface waters. Research efforts so far mainly focused on EDCs with (anti)androgenic and (anti)estrogenic modes of action (MOAs), which can interfere with reproductive biology of vertebrates. To date, biomarkers for the assessment of such compounds are invasive techniques, which are not sensitive enough to detect EDCs after short-term exposures and which cannot distinguish between the four MOAs. Hence, in this study a non-invasive method for the assessment of EDCs was developed using male African clawed frogs (Xenopus laevis) as model species. Frogs were exposed to individual (anti)androgenic and (anti)estrogenic EDCs in the surrounding water and their calling behavior was analyzed. This non-invasive method turned out to be a fast and highly sensitive biomarker for the detection of (anti)androgenic and (anti)estrogenic EDCs. Moreover, this method was able to differentiate between the four different MOAs solely by determining affected parameters of the calling behavior. It was also shown that by using this method, it might be possible to reuse already tested experimental animals, because the measured affected parameters were reversed after a period of six weeks under control conditions. Taken together the here established non-invasive behavioral method can be used as biomarker for the detection of (anti)androgenic and (anti)estrogenic EDCs. Furthermore, the high sensitivity of this testing method, as well as the possibility of analyzing vast datasets rapidly in a completely automated fashion indicate the huge potential for this rapid behavior test to become a sensitive, standardized, non-invasive biomarker.

Le laboratoire d’Embryologie Moléculaire étudie les mécanismes moléculaires contrôlant le développement embryonnaire et utilise comme système expérimental l’embryon de xénope. En collaboration le laboratoire du Dr Daniel Christophe, nous avons abordé l’étude du gène XHRT1 chez le xénope. Ce gène est l’orthologue du gène HRT-1/Hey1/Hesr-1/HERP2/CHF2 de souris. Celui-ci, avec deux autres protéines apparentées (HRT2 et HRT3) forme une sous-famille de facteurs de transcription de type bHLH-O qui se différencient des autres facteurs bHLH-O par l’absence d’un motif carboxy-terminal de séquence « WRPW » et par la présence d’un nouveau motif carboxy-terminal conservé de séquence « TEI/VGAF ». Le rôle de ces facteurs HRT dans le développement est encore actuellement mal connu. Dans un premier temps, nous avons déterminé le profil d’expression de XHRT1 au cours de l’embryogenèse. Nous avons observé que ce gène est fortement exprimé au stade neurula dans le plancher du tube neural, et que plus tardivement celui-ci est exprimé dans différentes régions du système nerveux, dans les somites et le dans le pronéphros. Comme attendu pour un membre de la famille des facteurs bHLH-O, nous avons également observé que l’expression précoce de HRT1 au niveau du plancher du tube neural est bien régulée par la voie de signalisation Notch. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au rôle et au mode d’action du facteur XHRT1 dans le développement du plancher du tube neural. Nous avons pu montrer que XHRT1 agit comme répresseur transcriptionnel et que cette répression nécessite la présence du domaine bHLH et de séquences en aval de celui-ci. Nous avons montré en embryon que la surexpression précoce de XHRT1 induit un blocage de l’expression des marqueurs du mésoderme et une augmentation de marqueur du plancher du tube neural, ce qui est en accord avec le modèle selon lequel la voie de signalisation Notch interviendrait dans le choix de la destinée des cellules de la région médiane en inhibant la différenciation des cellules en notocorde et en favorisant leur différenciation en cellules du plancher du tube neural. XHRT1 n’étant cependant activé qu’à partir du stade neurula, nous avons conclu que les effets observés n’étaient probablement pas dus à XHRT1 mais à un autre facteur bHLH-O apparenté exprimé plus précocement dans les cellules de la ligne mediane de l’embryon. Afin d’éviter ces effets non spécifiques précoces, nous avons utilisé un vecteur d’expression de XHRT1 permettant un contrôle temporel de l’activité de la protéine. Nous avons ainsi montré que l’activation de XHRT1 au stade neurula dans l’ectoderme inhibe la différenciation des cellules précurseurs neurales en neurones et qu’il pourrait ainsi jouer un rôle important dans le développement du plancher du tube neural. Nos résultats ont montré également que XHRT1 est capable d’homo- et hétérodimériser in vivo avec les facteurs Xhairy1 et Xhairy2b coexprimés avec XHRT1 dans le plancher du tube neural. Enfin, nous avons montré que les propriétés de dimérisation de XHRT1 sont dépendantes non seulement du domaine bHLH, mais aussi du domaine Orange et des séquences situées en aval, séquences jouant un rôle important dans le choix du partenaire. Des travaux récents ayant montré que la voie de signalisation Notch joue un rôle important dans le développement du rein, nous avons voulu déterminer l’importance de XHRT1 dans le développement du pronéphros. Nos résultats ont montré que XHRT1 ainsi que d’autres facteurs bHLH-O sont exprimés de manière dynamique, d’abord dans le glomus puis dans la partie dorso-antérieure de l’ébauche du pronéphros à l’origine des tubules proximaux, et que leur expression est régulée positivement par Notch. La surexpression de XHRT1 à la fin de la neurulation inhibe la formation du canal et du tubule distal, tandis que l’inhibition de la traduction de la protéine entraîne une réduction de l’expression de marqueurs spécifiques des tubules proximaux et du glomus. Ces résultats démontrent que XHRT1 joue un rôle important comme médiateur de la voie de signalisation Notch dans le pronéphros.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La formation des trois feuillets embryonnaires primordiaux et leur régionalisation selon les axes embryonnaires sont des étapes cruciales au cours du développement précoce. Dans ce contexte, nous avons montré que XDSCR6, un inducteur du mésoderme et des axes embryonnaires qui présente des propriétés dorsalisantes, interagit physiquement et fonctionnellement avec le facteur de transcription XSTAT3. Au cours des étapes précoces du développement, XSTAT3 est active pendant la gastrulation et l'activation anormale de cette protéine dans la région dorsale induit la ventralisation des tissus embryonnaires. Par ailleurs, nous avons montré que XDSCR6 et XSTAT3 présentent des rôles antagonistes in vivo au cours de la mise en place des axes embryonnaires. Cet antagonisme peut être expliqué par le fait que XDSCR6 régule négativement l'activité transcriptionnelle de XSTAT3 en modulant sa méthylation sur les résidus lysine. L'ensemble de nos résultats a permis de déterminer l'importance cruciale de cette modification post-traductionnelle dans les propriétés ventralisantes de XSTAT3. Par ailleurs, nous avons montré que la méthyltransférase XEZH2 méthyle et active XSTAT3 in vivo. Des travaux antérieurs de l'équipe avaient montré que les propriétés dorsalisantes de XDSCR6 reposent sur sa capacité à inhiber l'activité épigénétique répressive de XEZH2 sur les gènes du mésoderme dorsal. Ainsi, nos travaux suggèrent que XDSCR6 est un modulateur transcriptionnel situé à l'interface entre certains régulateurs chromatiniens et des facteurs de transcription pendant la mise en place des axes embryonnaires. / One of the most challenging questions in developmental biology is to understand how a totipotent zygote differentiates into an organism containing all cell lineages. The formation of the three germ layers and the establishment of embryonic axis are fundamental events during early development. In this context, we demonstrated that XDSCR6, a mesoderm and embryonic axis inducer that exhibits dorsalizing properties, physically and functionally interacts with the transcriptional factor XSTAT3. During early development, XSTAT3 is active throughout gastrulation step and its abnormal activation in dorsal region leads to embryonic tissues ventralization. Furthermore, we showed that XDSCR6 and XSTAT3 have antagonistic roles in vivo during axis formation. This antagonism can be explained by the fact that XDSCR6 negatively regulates the transcriptional activity of XSTAT3 by interfering with its methylation on lysine residues. Moreover, this post-translational modification plays a crucial role in the ventralization abilities of XSTAT3. In a previous study, it has been shown that XDSCR6 negatively regulates the XEZH2 repressive epigenetic activity on dorsal mesoderm genes. Thus, we propose that XDSCR6 is a transcriptional modulator acting between epigenetic regulators and transcriptional factors during embryonic axis formation.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

In vertebrate oocytes, meiotic progression is driven by the sequential translational activation of maternal messenger RNAs stored in the cytoplasm. This activation is mainly induced by the cytoplasmic elongation of their poly(A) tails, which is mediated by the cytoplasmic polyadenylation element (CPE) present in their 3’ untranslated regions (3´ UTRs). Sequential, phase-specific translation of these maternal mRNAs is required to complete the two meiotic divisions. Although the earlier polyadenylation events in prophase I and metaphase I are driven by the CPE-binding protein 1 (CPEB1), 90% of this protein is degraded by the anaphase promoting complex in the first meiotic division. The low levels of CPEB1 during interkinesis and in metaphase II raise the question of how the cytoplasmic polyadenylation required for the second meiotic division is achieved. In this work, we demonstrate that CPEB1 activates the translation of the maternal mRNA encoding CPEB4, which, in turn, recruits the cytoplasmic poly(A) polymerase GLD2 to “late” CPE-regulated mRNAs driving the transition from metaphase I to metaphase II, and, therefore, replacing CPEB1 for “late” meiosis polyadenylation.