Atrial natriuretic factor (ANF) is a polypeptide hormone produced in heart atria, stored in atrial secretory granules and released into the circulation in response to various stimuli. Proper sorting of ANF at the level of the trans-Golgi network (TGN) is required for the storage of ANF in these specific granules, and this sorting of hormones has been found to be associated with G-proteins. Specifically, the Go protein alpha-subunit (Gαo) was established to participate in the stretch-secretion coupling of ANF, but may also be involved in the transporting of ANF from the TGN into atrial granules for storage and maturation. Based on knowledge of Gαo involvement in hormone production in other endocrine tissues, protein-protein interactions of Gαo and proANF and their immunochemical co-localization in granules, the direct involvement of these two proteins in atrial granule biogenesis is probable. In this study, mice were created using the Cre/lox recombination system with a conditional Gαo knockout in cardiocytes to study and characterize ANF production, secretion and granule formation. Deletion of this gene was successful following standard breeding protocols. Characterization and validation of cellular and molecular content of the knockout mice through mRNA levels, protein expression, peptide content, electron microscopy, and electrocardiography determined that a significant phenotypic difference was observed in the abundance of atrial granules. However, Gαo knockout mice did not significantly alter the production and secretion of ANF and only partially prevented granule biogenesis, likely due to incomplete Gαo knockout. These studies demonstrate an involvement of Gαo in specific atrial granule formation.

The exact role of opioid receptors in drug addiction and modulatory mechanism of action of monovalent cations on these receptors are still not fully understood. Our results support the view that the mechanism of addiction to morphine is primarily based on desensitization of μ- and δ-opioid receptors. Desenzitization of agonist response proceeds already at the level of G protein functional activity. Long-term exposure of rats to morphine resulted in increase of number of δ-opioid receptors and change of their sensitivity to sodium ions. Analysis of the effect of different monovalent ions on agonist binding in δ-OR- Gi1α (Cys351 -Ile351 )-HEK293 cell line confirmed the preferential sensitivity of δ-opioid receptor to sodium ions. We have distinguished the high- and low-affinity Na+ sites. Biophysical analysis of interaction of lithium, sodium, potassium and cesium ions with plasma membranes isolated from HEK293 cells with the help of fluorescent probes indicated that monovalent ions interact, in low-affinity manner, with the polar, membrane-water interface of membrane bilayer. Key words: morphine, forebrain cortex, opioid receptors, G proteins, monovalent ions, plasma membrane, fluorescence spectroscopy.

The exact role of opioid receptors in drug addiction and modulatory mechanism of action of monovalent cations on these receptors are still not fully understood. Our results support the view that the mechanism of addiction to morphine is primarily based on desensitization of μ- and δ-opioid receptors. Desenzitization of agonist response proceeds already at the level of G protein functional activity. Long-term exposure of rats to morphine resulted in increase of number of δ-opioid receptors and change of their sensitivity to sodium ions. Analysis of the effect of different monovalent ions on agonist binding in δ-OR- Gi1α (Cys351 -Ile351 )-HEK293 cell line confirmed the preferential sensitivity of δ-opioid receptor to sodium ions. We have distinguished the high- and low-affinity Na+ sites. Biophysical analysis of interaction of lithium, sodium, potassium and cesium ions with plasma membranes isolated from HEK293 cells with the help of fluorescent probes indicated that monovalent ions interact, in low-affinity manner, with the polar, membrane-water interface of membrane bilayer. Key words: morphine, forebrain cortex, opioid receptors, G proteins, monovalent ions, plasma membrane, fluorescence spectroscopy.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Eukaryotic cells rapidly modulate protein synthesis in response to environmental cues through the reversible phosphorylation of eukaryotic initiation factor 2 (eIF2α~P) by a family of eIF2α kinases. The eIF2 delivers initiator Met-tRNAiMet to the translational apparatus, and eIF2α~P transforms its function from a translation initiation factor into a competitive inhibitor of the guanine nucleotide exchange factor (GEF) eIF2B, which is responsible for the recycling of eIF2-GDP to the translationally-competent eIF2-GTP state. Reduced eIF2-GTP levels lower general protein synthesis, which allows for the conservation of energy and nutrients, and a restructuring of gene expression. Coincident with global translational control, eIF2α~P directs the preferential translation of mRNA encoding ATF4, a transcriptional activator of genes important for stress remediation. The term Integrated Stress Response (ISR) describes this pathway in which multiple stresses converge to phosphorylate eIF2α and enhance synthesis of ATF4 and its downstream effectors. In this study, we used sucrose gradient ultracentrifugation and a genome-wide microarray approach to measure changes in mRNA translation during ER stress. Our analysis suggests that translational efficiencies vary across a broad range during ER stress, with the majority of transcripts being either repressed or resistant to eIF2α~P, while a notable cohort of key regulators are subject to preferential translation. From this latter group, we identify IBTKα as being subject to both translational and transcriptional induction during eIF2α~P in both cell lines and a mouse model of ER stress. Translational regulation of IBTKα mRNA involves the stress-induced relief of two inhibitory uORFs in the 5’-leader of the transcript. Also identified as being subject to preferential translation is mRNA encoding the bifunctional aminoacyl tRNA synthetase EPRS. During eIF2α~P, translational regulation of EPRS is suggested to occur through the bypass of a non-canonical upstream ORF encoded by a CUG start codon, highlighting the diversity by which upstream translation initiation events can regulate expression of a downstream coding sequence. This body of work provides for a better understanding of how translational control during stress is modulated genome-wide and for the processes by which this mode of gene regulation in the ISR contributes to cell fate.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Platelet-activating Factor (PAF) stimulates various cell types by the activation of the G-protein coupled PAF-receptor (PAFR). Systemic PAFR activation induces an acute pro-inflammatory response, as well as delayed systemic immunosuppressive effects in vivo. De novo enzymatic PAF synthesis and degradation are closely regulated, but oxidative stressors, such as UVB, and cigarette smoke, can generate PAF-like species via the oxidation of membrane lipids in an unregulated process. Mast cells (MCs) and the PAFR have been shown to be necessary to mediate the resulting systemic immune suppression from oxidative stressors. The work herein implicates pro-oxidative chemotherapeutics, such as melphalan and etoposide, in mediating augmentation in tumor growth by inducing the generation of PAFR agonists via the oxidation of membrane lipids. This work also demonstrates the role of MCs and MC-released mediators in PAFR systemic immunosuppression. Through a contact hypersensitivity (CHS) model, the MC PAFR was found to be necessary and sufficient for PAF to mediate systemic immunosuppression. Additionally, activation of the MC PAFR seems to induce MC histamine and prostaglandin E2 release. Furthermore, by transplanting histamine- or COX-2-deficient MCs into MC-deficient mice, MC-derived histamine and prostaglandin release were found to be necessary for PAF to induce systemic immunosuppression. Lastly, we have evidence to suggest that prostaglandin release modulates MC migration to draining lymph nodes, a process necessary to promote immunosuppression. These studies fit with the hypothesis that MC PAFR activation mediates PAFR systemic immunosuppression in part by histamine and prostaglandin release.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Recent preclinical reports have provided evidence that endothelial colony forming cells (ECFCs), a subset of endothelial progenitor cells, significantly improve vessel formation, largely due to their robust vasculogenic potential. While it has been known that the Rho family GTPase Cdc42 is involved in this ECFC-driven vessel formation process, the effect of extracellular matrix (ECM) stiffness on its activity during vessel formation is largely unknown. Using a fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based Cdc42 biosensor, we examined the spatio-temporal activity of Cdc42 of ECFCs in three-dimensional (3D) collagen matrices with varying stiffness. The result revealed that ECFCs exhibited an increase in Cdc42 activity in a soft (150 Pa) matrix, while they were much less responsive in a rigid (1 kPa) matrix. In both soft and rigid matrices, Cdc42 was highly activated near vacuoles. However, its activity is higher in a soft matrix than that in a rigid matrix. The observed Cdc42 activity was closely associated with vacuole formation. Soft matrices induced higher Cdc42 activity and faster vacuole formation than rigid matrices. However, vacuole area is not dependent on the stiffness of matrices. Time courses of Cdc42 activity and vacuole formation data revealed that Cdc42 activity proceeds vacuole formation. Collectively, these results suggest that matrix stiffness is critical in regulating Cdc42 activity in ECFCs and its activation is an important step in early vacuole formation.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sont impliqués dans la majeure partie des communications intercellulaires. Un grand nombre de RCPG ont été découverts en comparant la séquence des récepteurs connus avec les données fournies par le séquençage du génome humain. Pour plus d'une centaine de ces récepteurs, le ligand activateur ou agoniste est inconnu. Ces récepteurs sont dès lors qualifiés d'orphelins.<p>Les LGR forment une sous-famille de RCPG structurellement proches de la rhodopsine qui comprend les récepteurs aux hormones glycoprotéiques (TSH, LH, hCG, FSH) et à la relaxine. LGR4 est un membre de cette famille dont ni la fonction précise, ni l'agoniste ne sont connus.<p>Dans un premier temps, une cartographie détaillée de l'expression de Lgr4 chez la souris a été obtenue. Nous avons tiré parti de l'existence d'une lignée de souris transgéniques dont le gène Lgr4 a été interrompu par l'introduction d'une cassette comportant deux marqueurs histologiques. L'activité beta-galactosidase d'un de ces marqueurs a été analysée chez les souris hétérozygotes. Ces dernières ne présentent pas de phénotype particulier, ce qui permet d'estimer que l'expression des marqueurs rend effectivement compte de l'expression normale du gène Lgr4. Lgr4 est exprimé dans un grand nombre de structures, notamment dans le cartilage, le rein, les appareils reproducteurs mâle et femelle et certaines cellules du système nerveux.<p>Ensuite, le phénotype des souris homozygotes pour l'inactivation de Lgr4 (LGR4KO) a été exploré. Ces souris présentent à la naissance un poids inférieur à leurs congénères des autres phénotypes. Les mâles sont stériles à cause d'une malformation des tubules efférents et de l'épididyme. Un blocage au niveau des tubules efférents reliant le testicule à l'épididyme contraint les spermatozoïdes à s'accumuler à la sortie du testicule, dans la région du rete testis. De plus, les tubes de l'épididyme, pourtant normaux à la naissance, ne s'allongent pas pour former la structure convolutée habituelle. L'épithélium de ces tubes est aplati et est entouré d'une quantité anormalement élevée de mésenchyme.<p>Dans un troisième temps, des outils nécessaires aux futures tentatives d'identification de l'agoniste naturel de LGR4 ont été réalisés. Il s'agit :(1) d'anticorps monoclonaux dirigés contre la partie extracellulaire du récepteur humain. (2) d'un appât moléculaire pour la ‘pêche au ligand’. Cet appât est constitué du domaine extracellulaire du récepteur humain couplé à un marqueur histologique. (3) d'une construction peptidique constituée du domaine extracellulaire du récepteur humain couplé à une queue poly-histidine. Cette construction est destinée à servir de greffon lors de chromatographies d'affinités devant permettre de purifier le ligand. (4) de lignées cellulaires exprimant le récepteur LGR4 humain ainsi que le système æquorine devant permettre de détecter l'activation de ce récepteur.<p>Les données apportées par ce travail montrent un rôle important du récepteur LGR4 au cours du développement et permettent de circonscrire le champ des recherches futures. Ceci, ainsi que les outils moléculaires développés, constitue une base pour l'identification future de l'agoniste et la détermination précise de la fonction de LGR4. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La scoliose est la déformation de la colonne vertébrale la plus répandue. Elle atteint 3 à 4% de la population pédiatrique et dans 85% des cas, aucune cause n’a été identifiée. Ces cas sont appelés idiopathiques et les symptômes apparaissent durant la puberté; d’où le terme de ‘scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA). Cette pathologie atteint le plus souvent les jeunes filles, en nombre et en sévérité. Ces dernières années, plusieurs hypothèses ont été proposées afin d’élucider l’étiologie de cette pathologie. Celles-ci ont mis de l’avant différents facteurs génétiques, biochimiques, mécaniques, neurologiques, musculaires ou hormonaux. Plusieurs études ont rapporté des formes familiales de scoliose, soutenant la thèse d’une prédisposition génétique. Nous avons démontré que les patients souffrant de SIA présentent un défaut de signalisation cellulaire médiée par les protéines Gi et un taux élevé d’ostéopontine (OPN) circulante. En utilisant une approche de type ‘gène candidat’, nous avons montré que la protéine tyrosine phosphatase μ (PTPμ) régule l’activité du complexe d’intégrines α5/β1 (récepteur de l’OPN) via la protéine kinase PIPKIγ. Dans ce but, nous avons utilisé des cultures primaires d’ostéoblastes issues de biopsies de patients et de cas traumatiques comme sujets contrôles. Les biopsies osseuses de patients ont été obtenues lors de l’intervention chirurgicale à partir des vertèbres T3 à L4, selon les différentes procédures. Les biopsies issues de cas traumatiques proviennent d’autres types d’os (tibia, crête iliaque, fémur). Les profils d’expression du gène PTPRM (codant pour la protéine PTPμ) ont été étudiés par PCR quantitative (qPCR). Les taux de protéines PTPμ ont été analysés par immunoprécipitation suivi d’un western blot. Pour évaluer le rôle de cette protéine, nous avons bénéficié d’un modèle murin. Machida et al. ont démontré qu’il existe un taux plus élevé de scoliose parmi les souris C57Bl/6 bipèdes obtenues suite à l’amputation des membres supérieurs, sous anesthésie, cinq semaines après la naissance. Nous avons utilisé des cultures primaires d’ostéoblastes issues de la colonne ii vertébrale de souris C57Bl/6 bipèdes, délétées du gène PTPRM (souris dites ‘KO’), afin d’évaluer le niveau de signalisation cellulaire spécifique des protéines Gi par un test fonctionnel: la technique de spectroscopie cellulaire di-électrique (SCD). Selon nos données, 85% des souris bipédales ‘KO’ pour le géne PTPRM développent une scoliose (modérée à sévère) contre 55% des souris contrôles C57Bl6 bipèdes. De plus, les niveaux de PTPμ exprimée par les ostéoblastes de 34 patients SIA se trouvent diminués par comparaison à 17 sujets contrôles. Nos études de souris bipèdes ont montré que l’inactivation du gène PTPRM augmente l’incidence et la sévérité de la scoliose, sans pour autant affecter les taux circulant d’OPN ou l’expression de ses récepteurs. Par ailleurs, dans ce même contexte, nous avons remarqué une augmentation de l’interaction entre l’OPN et l’intégrine β1 en l’absence du gène PTPRM. Les cellules issues de ces souris bipèdes KO montrent une réduction dans leurs niveaux de signalisation cellulaire médiée par les protéines Gi après stimulation par l’OPN. Cette diminution est en grande partie récupérée après traitement des cellules par un siRNA spécifique de la protéine PIPK1γ, substrat de PTPμ qui favorise la fixation de ligands aux intégrines. Ces études apportent les premières indications que la perte d’expression de PTPμ est impliquée dans le développement de la SIA, en amplifiant probablement l’effet inhibiteur de l’OPN sur la signalisation cellulaire médiée par les protéines Gi. Ces études permettent une meilleure compréhension de l’étiologie de la SIA. Elles pourraient avoir une contribution importante dans le développement futur de méthodes diagnostique et thérapeuthique dans le but d'arrete l’apparition et l’évolution de la maladie chez les enfants atteints. / Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is the most common form of scoliosis that affects 3-4% of the global pediatric population. In more than 85% of cases, no specific cause can be identified. Such cases are called idiopathic and occur mostly during adolescence. AIS affects mainly females in number and severity. Over the past years, many hypotheses were proposed to explain the etiology of AIS, including genetic, biochemical, mechanics, neurological, muscular and hormonal factors. Several studies have reported a high incidence of scoliosis in some families, which argues for a genetic cause of this disease. We demonstrated that AIS patients have a Gi protein signaling defect and exhibit high levels of circulating Osteopontin (OPN). The goal of this thesis is to identify the mechanisms regulating OPN signaling activity in AIS patients. We have used a candidate gene driven approach and discovered that protein tyrosine phosphatase μ (PTP μ) regulates α5β1 integrin (a known OPN receptor) through phosphate kinase type 1 gamma (PIPK1γ). To achieve our goal, we have used primary osteoblast cell cultures derived from AIS patients and biopsies from control subjects. Bone specimens were obtained intraoperatively from vertebras (varying from T3 to L4 according to the surgical procedure performed) while with trauma cases used as non-scoliotic controls, bone specimens were obtained from other anatomical sites (tibia, femur or iliac crest). Expression profiles of the RPTPM gene (encoding for PTPμ) were studied by qPCR. On the other hand, PTPμ protein levels were determined by immunoprecipitation followed by western blot. To evaluate the role of this protein in AIS etiopathogenesis, we took advantage of an animal model exhibiting a higher scoliosis incidence when maintained in a bipedal state. [1], [2] Bipedal surgeries were performed on C57Bl/6 mice after weaning (5-weeks after birth) by amputation of the forelimbs and tail under anesthesia as reported by Oyama et al. (2006). [1] We used the same approach with PTPμ knockout mice and primary osteoblast culture were derived from the spine of these mice to assess Gi protein signaling through a functional assay termed Cellular Dielectric Spectroscopy (CDS). Bipedal PTPμ knockout mice develop scoliosis more often (85%) in number and severity, than control C57Bl/6 bipedal mice (55%). Interestingly, functional analysis of osteoblasts derived from PTPμ KO mice by CDS method showed a flaw in the transmission of Gi protein coupled receptor signaling similar to a specific AIS patient subgroup. Furthermore, the clinical relevance of PTPμ was strengthened by the fact that a decrease in the gene expression level of PTPμ was observed in 34 AIS patients when compared to 17 control subjects. Such a decrease was also confirmed at the protein level. We demonstrated that genetic deletion of PTPμ enhances the incidence and severity of scoliosis without affecting plasma levels of OPN or the expression of its receptors. In contrast, increased interaction of OPN with β1 integrin was noticed in cells depleted of PTPμ. Furthermore, reduction of Gi- protein coupled receptor GiPCR signaling by OPN was also enhanced in these cells, while their response to GiPCR stimulation was improved with siRNA of phosphatidylinositol-phosphate kinase type 1 gamma (PIPK1γ), a PTPμ substrate that favours ligand binding to integrins. These studies provide the first indication that the loss of PTPμ influences the nature of idiopathic scoliosis, possibly by amplifying the inhibitory effect of OPN on GiPCR signaling. This study allows a better understanding of AIS etiology and could have an impact for the future development of innovative diagnostic methods and eventual pharmacological approaches in order to prevent AIS and stop its progression in affected children.

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Le sang provenant d’un cordon ombilical (SCO) représente une bonne source de cellules souches hématopoïétiques (CSH) pour des transplantations. Cependant, le nombre de cellules souches contenues dans ce sang est souvent insuffisant pour greffer un adulte. Le mécanisme intervenant dans la domiciliation de ces cellules au sein de la moelle osseuse (MO) est encore mal compris. On sait que l’interaction entre la chimiokine SDF-1 et le récepteur CXCR4, présent sur les cellules CD34+ de SCO, mène à la migration de ces cellules en direction de la MO. Nous pensons que l’augmentation de la proportion de cellules qui réussit à se greffer pourra pallier au problème du nombre. Les produits de dégradation, C3a et le C3desarg,, issus du système du complément, sont connus pour favoriser la réponse de cellules exprimant CXCR4 vers SDF-1. Nous avons analysé l’effet du C3adesarg, molécule non anaphylatoxique, sur la migration cellulaire vers SDF-1, de même que sur la prise de greffe des cellules CD34+ issues de SCO suite à une transplantation sur des souris NOD/SCIDyC-. Nos expériences ont démontré que le C3a ainsi que le C3adesarg augmentaient tous les deux la réponse des cellules CD34+ vers SDF-1. Toutefois, nous n’avons pas pu démontrer que ces molécules liaient directement le récepteur CXCR4. Par contre, le composé C3adesarg favorise la prise de greffe des cellules CD34+ de SCO. Il serait donc un bon candidat pour poursuivre une optimisation de ses propriétés. Nous avons également constaté que suite à une transplantation chez la souris, les cellules CD34+ de SCO subissent une hausse d’expression transitoire de leur CXCR4 environ quatre jours après la greffe. Cette hausse d’expression coïncide avec la multiplication des cellules CD34+ dans la MO. Nous avons également confirmé qu’une cellule CD34+ avec une forte expression de CXCR4 était dans un état prolifératif. Nos données suggèrent que l’interaction directe avec les cellules stromales soit responsable de cette hausse d’expression de CXCR4. / Since the first successful cord blood (CB) transplant was performed there has been a gradual increase in the use of CB for haematopoietic stem cell (HSC) transplantation, but the number of stem cells per CB is in general too low to ensure successful transplantation in adult patients. We would like to bypass the limitation of insufficient number of these cells in CB by enhancing the engraftment efficiency. The chemokine stromal-derived factor (SDF)-1, that binds to its receptor, CXCR4, plays an important and unique role in regulating the trafficking of HSC and their homing/retention in bone marrow (BM), but molecular regulatory mechanism of niches for HSC maintenance remains unclear. The complement C3 cleavage fragments, C3a and C3adesarg, modulate the responsiveness of CXCR4-expressing cell lines to SDF-1. We assessed the effect of the non anaphylatoxic complement fragment, C3adesarg, on SDF-1 responsiveness and engraftment of CB-HSC transplantation in a NOD/SCIDyC- mouse model. Complement breakdown products C3a and C3adesarg both increase the responsiveness of CD34+ cells to SDF-1. We find no evidence for direct interaction of complement fragments with CXCR4. Our data suggest that C3adesarg might contribute to optimize CB-HSC homing to bone marrow, and therefore efficacy of cord blood transplantation. We quantified the number of CXCR4 on the surface of CB-CD34+ after transplantation in mice. Our results showed that there is a transient overexpression of CXCR4 on the surface of HSC CD34+ found in the BM of NOD/SCIDyC- mice after 4-5 days post-injection. This transient overexpression correlated with multiplication of CD34+ cells in the BM. We confirm that the cells with an overexpression of CXCR4 are in a proliferation state. Our data suggested that this transient overexpression is caused by an interaction with the stomal cells.