Le spermatozoïde, afin d'être en mesure de féconder l'ovule, doit subir une série de modifications membranaires et biochimiques, regroupées sous le terme capacitation. De ces modifications, une augmentation de la phosphorylation en tyrosine de certaines protéines spermatiques spécifiques ainsi qu'une augmentation du Ca²⁺ intracellulaire sont observées. Il a été démontré que la phosphorylation sur résidu tyrosine associée à la capacitation des spermatozoïdes est sous le contrôle étroit du Ca²⁺, de la voie AMPc/PKA et des dérivés actifs de l'oxygène. De plus, il a été montré que la libération des réservoirs de Ca²⁺ par la thapsigargine, un inhibiteur spécifique des Ca²⁺ -ATPase du réticulum endoplasmique et sarcoplasmique (SERCA), pouvait provoquer l'augmentation de la phosphorylation en tyrosine et ce, dépendante des tyrosines kinases de la famille de src. Tous ces éléments suggèrent qu' il y a une Ca²⁺-ATPase sensible à la thapsigargine présente dans les spermatozoïdes permettant l'accumulation de Ca²⁺ dans les réservoirs et qu'au moins un membre de la famille de src dont l'activité est Ca²⁺ -dépendante est présente dans les spermatozoïdes. Dans un premier temps, j'ai identifié la Ca²⁺-ATPase SERCA2. C'est la première étude qui démontre que ce type de Ca²⁺ -ATPase est présente dans les spermatozoïdes de mammifères. La présence de SERCA2 au niveau de l'acrosome dans les spermatozoïdes humains, murins et bovins, suggère que cette Ca2+ -ATPase puisse contrôler la [Ca2+]i en accumulant le Ca²⁺ au niveau de l'acrosome. Puisque src est modulée positivement par le Ca²⁺, j'ai vérifié sa présence et son rôle dans les spermatozoïdes humains. Dans cette étude, j'ai clairement démontré que l'activité de src est Ca²⁺ dépendante et modulée positivement par la voie AMPc/PKA. De plus, la kinase src semble active tout au long de la capacitation et pourrait donc contribuer à l'augmentation de la phosphorylation associée à la capacitation. Enfin, j'ai tenté d' identifier des substrats de src par deux approches différentes. L'identification de ces protéines permettra de mieux comprendre le rôle de cette tyrosine kinase dans les fonctions Ca²⁺ -dépendantes du spermatozoïde.

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Les ATPases de type P1 sont des pompes utilisant l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour transporter les ions lourds (Cu+, Zn2+, Pb2+ Cd2+) à travers la membrane cellulaire. Elles sont difficiles à purifier et cristalliser et leur structure 3D est en général inconnue. Nous nous sommes intéressés à la structure et à la dymanique de la partie membranaire de l'ATPase cadmium CadA et aux domaines de liaison du métal de l'ATPase cuivre humaine de Menkés. Similarité de séquence et analyses d'hydropathie, complétées par des expériences ont montré que les ATPases de type P1 sont constituées de 8 segments transmembranaires (TMs) au lieu de 10 pour l'ATPase calcium de structure connue. En collaboration avec les biochimistes, et en utilisant les programmes MODELLER, CHARMM, XPLOR, AMD ainsi que nos propres programmes, nous avons prédit la structure des TMs de CadA. Nous avons construit plusieurs modéles du paquet de TMs correspondant à plusieurs topologies, calculé les coordonnées atomiques avec une procédure similaire à la détermination de structure à partir d'expériences de RMN et raffiné ces coordonnées en utilisant des simulations de DM en présence de solvant implicite. Le programme AMD de DM Adaptive a été utilisé pour vérifier les modèles de manière interactive. Une autre caractéristique intéressante des ATPases de type P1 est la présence en N-ter de un à six domaine(s) de liaison des métaux (MBDS). Dans le cas de l'ATPase de Menkés, il y a 6 MBDs, chacun pouvant lier un ion Cu$^+$. La structure de chaque MBD est connue. En utilisant des simulations de DM, nous avons étudié la dynamique de chaque MBD en presence ou absence de métal dans le but de comprendre comment le métal est transféré de la métallochaperone qui prend en charge le métal lors de son entrée dans la cellule au MBD. Ces études ont utilisé le travail récent des chercheurs de l'équipe dans le domaine de la paramétrisation des ions métalliques pour des champs de force de mécanique moléculaire. Le bon accord de nos résultats de DM sur les MBDs avec les connaissances expérimentales a montré que des modèles mécaniques sont capables de rendre compte et d'expliquer certaines propriétés de liaison et de transport des métaux dans les métalloprotéines et les ATpases, cibles pharmaceutiques bien connues.

Thesis (Ph. D.)--University of Missouri-Columbia, 2005. / The entire dissertation/thesis text is included in the research.pdf file; the official abstract appears in the short.pdf file (which also appears in the research.pdf); a non-technical general description, or public abstract, appears in the public.pdf file. Vita. "December 2005" Includes bibliographical references.

Angiogenesis is the formation of new blood vessels from pre-existing ones. Unregulated angiogenesis is associated with several diseases such as diabetic retinopathy and tumour growth. Many signal transduction pathways have been implicated in the regulation of angiogenesis such as p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK), phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K), extracellular signal-related kinase 1/2 (Erk1/2) and of particular interest the calcineurin/nuclear factor of activated T-cell (NFAT) pathway. Inhibition of calcineurin activity by the drug cyclopsorin A (CsA) has been shown to inhibit processes required for successful angiogenesis such as in vitro cell migration, tube formation and additionally attenuates corneal angiogenesis in vivo. CsA is associated with severe side effects and therefore the identification of an endogenous regulator of this pathway would be beneficial. One possibility is the plasma membrane calcium ATPases (PMCAs). These high affinity calcium extrusion pumps have been shown to interact with calcineurin in mammalian cells and cardiomyocytes and down-regulate the calcineurin/NFAT pathway. This is hypothesised to be due to the interaction between the two proteins which maintains calcineurin in a low calcium micro-environment generated by the calcium removal function of the pump. Interestingly, PMCA4 has been shown to interact with calcineurin in endothelial cells. The aim of our study was to further our understanding of PMCA4s regulation of the calcineurin/NFAT pathway specifically in endothelial cells and establish if PMCA4 has a role in the regulation of angiogenesis. ‘Gain of function’ by adenoviral over-expression of PMCA4 and ‘loss of function’ by either si-RNA mediated knockdown of PMCA4 or isolation of PMCA4-/- MLEC were used as models. Over-expression of PMCA4 in HUVEC resulted in inhibition of the calcineurin/NFAT pathway with the opposite result occurring in the case of the knockout of PMCA4, identifying PMCA4 as a negative-regulator of the calcineurin/NFAT pathway in endothelial cells. Over-expression of PMCA4 significantly attenuated VEGF-induced protein and mRNA expression of the pro-angiogenic proteins RCAN1.4 and Cox-2, endothelial cell migration and in vitro and in vivo tube formation with the opposite result occurring in knockdown or knockout studies, confirming PMCA4 as a down-regulator of angiogenesis. Interestingly, over-expression or knockdown of PMCA4 had no effect on VEGF-induced HUVEC proliferation or Erk1/2 phopshorylation proposing PMCA4 may be a potential inhibitor of angiogenesis without compromising cell survival. Disruption of the interaction between PMCA4 and calcineurin by generation and ectopic expression of an adenovirus encoding the region of PMCA4 that interacts with calcineurin (428-651) (Ad-ID4) resulted in an increase in NFAT activity, RCAN1.4 protein expression and in vitro tube formation. These results identify the mechanism of PMCA4s inhibitory effect of the calcineurin/NFAT pathway and consequently angiogenesis is a result of the interaction between the two proteins. The novel findings of this study establish PMCA4 as a negative-regulator of the calcineurin/NFAT pathway in endothelial cells and angiogenesis. These results are far reaching and highlight a potential role for PMCA4 as a therapeutic target in a variety of diseases that are associated with pathological angiogenesis.

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X-linked myopathy with excessive autophagy (XMEA) is a skeletal muscle disorder inherited in recessive fashion, affecting boys and sparing carrier females. Onset is in childhood with weakness of the proximal muscles of the lower extremities, progressing slowly to involve other muscle groups. Pathological analysis of skeletal muscle biopsies shows no inflammation, necrosis or apoptosis. Instead, forty to 80% of fibers exhibit giant autophagic vacuoles with heterogeneous degradative content. Numerous critical functions of all cells are compartmentalized in particular pH environments established by the intracellular transmembrane V-ATPase proton pump complex. Assembly of this complex, directed by the Vma21p chaperone, is well-studied in yeast but completely unknown in other organisms. The aim of my project was a better understanding of XMEA pathogenesis, with a focus on finding the disease-causing gene. In this thesis, I identify mutations in XMEA patients in a novel, previously uncharacterized gene, which we name VMA21. Most of the mutations are located in splicing-relevant positions and decrease splicing efficiency. After establishing that XMEA is caused by hypomorphic alleles of the VMA21 gene, I show that VMA21 is the diverged human orthologue of the yeast Vma21p protein, and that like Vma21p, it is an essential assembly chaperone of the V-ATPase. Decreased VMA21 reduces V-ATPase activity, resulting in altered lysosomal pH and a blockage at the degradative step of autophagy. Towards understanding disease pathogenesis, I show evidence of compensatory autophagy upregulation consecutive to the impaired clearance. Accumulated autolysosomes due to increased autophagy continue to face the degradative block and are slow to disappear. Instead, they merge to each other and form the characteristic giant XMEA vacuoles. These results uncover a novel mechanism of disease, namely macroautophagic overcompensation leading to cell vacuolation and tissue atrophy. This work describes the clinical outcome at the cusp of tolerable reduction in V-ATPase, with implications on common diseases like osteoporosis and cancer metastasis, where increased V-ATPase activity is an important component. Our XMEA patients show that the safety margin of reducing V-ATPase activity in humans is wide, increasing the potential to utilize chemical or biological V-ATPase inhibitors as possible therapies.

Major Histocompatibility Complex (MHC) class II molecules are indispensable arms of the im-mune system that present extracellular antigens to CD4+T cells and initiate the adaptive immune response. MHC class II expression requires recruitment of a master regulator, the class II trans-activator (CIITA). How this master transcriptional regulator is recruited, stabilized and degraded is unknown. The 26S proteasome, a master regulator of protein degradation, is a multi-subunit complex composed of a 20S core particle capped on one or both ends by 19S regulatory particles. Previous findings have linked CIITA and MHC class II transcription to the ubiquitin proteasome system (UPS) as mono-ubiquitination of CIITA increases its transactivity whereas poly-ubiquitination targets CIITA for degradation. Increasing evidence indicates individual ATPase subunits of the 19S regulator play non-proteolytic roles in transcriptional regulation and histone modification. Our initial observations indicate proteasome inhibition decreases CIITA transac-tivity and MHC class II expression without affecting CIITA expression levels. Following cyto-kine stimulation, the 19S ATPase Sug1 associates with CIITA and with the MHC class II enhan-ceosome complex. Absence of Sug1 reduces promoter recruitment of CIITA and proteasome inhibition fails to restore CIITA binding, indicating Sug1 is required for CIITA mediated MHC class II expression. Furthermore, we identify a novel N-terminal 19S ATPase binding domain (ABD) within CIITA. The ABD of CIITA lies within the Proline/Serine/Threonine (P/S/T) re-gion of CIITA and encompasses a majority of the CIITA degron sequence. Absence of the ABD increases CIITA half-life, but blocks MHC class II surface expression, indicating that CIITA requires interaction with the 19S ATPases for both its deployment and destruction. Finally, we identify three degron proximal lysine residues, lysines (K): K315, K330 and K333, and a phosphorylation site, serine (S), S280, located within the CIITA degron, that regulate CIITA ubiquitination, stability and MHC class II expression. These are the first lysine residues identified as sites of CIITA ubiquitination that are essential for MHC class II expression. These observations increase our understanding of the role of the UPS in modulating CIITA mediated MHC class II transcription and will facilitate the development of novel therapies involving manipulation of MHC class II gene expression.

Les membranes plasmiques et les membranes du trans-Golgi des cellules eucaryotes présentent une asymétrie des lipides qui les composent, avec les aminophospholipides (APLs : phosphatidylsérine et phosphatidyléthanolamine) enrichis dans le feuillet cytosolique. La dissipation de cette asymétrie est impliquée dans de nombreux processus (patho)physiologiques. Plusieurs études suggèrent que les ATPases P4 sont les candidats les plus probables pour le transport des APLs et le maintien de leur distribution asymétrique ; leur délétion dans la levure inhibe le trafic membranaire. En outre, des études ont montré que les ATPases P4 interagissaient avec les protéines de la famille CDC50 ; cette interaction est essentielle pour l'adressage et peut-être aussi la fonction des ATPases P4. Afin de contribuer à la compréhension du mécanisme de transport des lipides par les ATPases P4, l'objectif de ce travail a été de mettre au point la co-expression fonctionnelle, dans la levure, de l'ATPase P4 Drs2p et de sa protéine partenaire Cdc50p. Nous avons obtenu une fraction membranaire enrichie à 3% avec la protéine Drs2p, majoritairement en complexe avec Cdc50p. L'étude fonctionnelle du complexe nous a permis de mettre en évidence un rôle crucial du phosphatidylinositol-4-phosphate (PI(4)P), un important régulateur du trafic membranaire, au cours d'une étape particulière du cycle catalytique. Nous avons également développé un protocole de purification sur résine streptavidine du complexe Drs2p/Cdc50p. Enfin, comme un site potentiel d'interaction avec le PI(4)P est présent sur l'extrémité C-terminale de Drs2p, nous avons engendré différentes constructions de Drs2p, dans lesquelles une partie de l'extrémité C-terminale a été délétée ; dans une autre construction, l'extrémité N-terminale a également été délétée. Notre travail ouvre la voie à la caractérisation fonctionnelle et structurale détaillée du complexe Drs2p/Cdc50p, et à l'étude du rôle du transport de lipides dans le trafic membranaire.

X-linked myopathy with excessive autophagy (XMEA) is a skeletal muscle disorder inherited in recessive fashion, affecting boys and sparing carrier females. Onset is in childhood with weakness of the proximal muscles of the lower extremities, progressing slowly to involve other muscle groups. Pathological analysis of skeletal muscle biopsies shows no inflammation, necrosis or apoptosis. Instead, forty to 80% of fibers exhibit giant autophagic vacuoles with heterogeneous degradative content. Numerous critical functions of all cells are compartmentalized in particular pH environments established by the intracellular transmembrane V-ATPase proton pump complex. Assembly of this complex, directed by the Vma21p chaperone, is well-studied in yeast but completely unknown in other organisms. The aim of my project was a better understanding of XMEA pathogenesis, with a focus on finding the disease-causing gene. In this thesis, I identify mutations in XMEA patients in a novel, previously uncharacterized gene, which we name VMA21. Most of the mutations are located in splicing-relevant positions and decrease splicing efficiency. After establishing that XMEA is caused by hypomorphic alleles of the VMA21 gene, I show that VMA21 is the diverged human orthologue of the yeast Vma21p protein, and that like Vma21p, it is an essential assembly chaperone of the V-ATPase. Decreased VMA21 reduces V-ATPase activity, resulting in altered lysosomal pH and a blockage at the degradative step of autophagy. Towards understanding disease pathogenesis, I show evidence of compensatory autophagy upregulation consecutive to the impaired clearance. Accumulated autolysosomes due to increased autophagy continue to face the degradative block and are slow to disappear. Instead, they merge to each other and form the characteristic giant XMEA vacuoles. These results uncover a novel mechanism of disease, namely macroautophagic overcompensation leading to cell vacuolation and tissue atrophy. This work describes the clinical outcome at the cusp of tolerable reduction in V-ATPase, with implications on common diseases like osteoporosis and cancer metastasis, where increased V-ATPase activity is an important component. Our XMEA patients show that the safety margin of reducing V-ATPase activity in humans is wide, increasing the potential to utilize chemical or biological V-ATPase inhibitors as possible therapies.