La fonction de barrière de l'endothélium vasculaire est affectée par des modifications de la cadhérine des cellules endothéliales (VE-cadhérine) telles que la phosphorylation sur tyrosine dans son domaine cytoplasmique et le clivage de son domaine extracellulaire (sVE). Ce travail s'est articulé en deux parties : 1- Etude de ces modifications dans le contexte de la polyarthrite rhumatoïde (PR), et les mécanismes sous-tendus. Ce travail a permis de montrer que la VE-cadhérine est une cible du TNFα, une cytokine essentielle dans la PR, qui induit de la libération de sVE de façon dépendante de l'activité kinase de Src, suggérant l'implication d'un mécanisme de phosphorylation sur tyrosine dans ce processus. De plus, la VE-cadhérine est aussi la cible des protéases de la matrice extracellulaire telles que MMP-2. L'application de ces données fondamentales à la clinique a permis de montrer que sVE était retrouvée dans le sang de patients PR (n=63) et que son taux était corrélé à l'activité de la maladie. Ainsi, le dosage de sVE est d'intérêt dans la prise en charge des patients. 2-Etude de la phosphorylation de la VE-cadhérine dans un contexte d'angiogenèse hormono-régulée au cours du cycle ovarien chez la souris. Les résultats ont montré que le site Y685 de la VE-cadhérine est phosphorylé dans l'ovaire et l'utérus de souris de façon régulée pendant le cycle, ce qui permet de proposer ce modèle physiologique pour étudier la phosphorylation de la VE-cadhérine in vivo. L'analyse de souris knock-in Y685F de la VE-cadhérine (VE-Y685F) a montré que l'absence du site confère une perméabilité accrue dans l'ovaire et l'utérus mais aussi dans les petits capillaires de la peau. De plus, dans deux modèles d'induction d'arthrite, les souris VE-Y685F ont présenté un taux de sVE plus élevé que les contrôles. Au total, sVE et la phosphorylation de la VE-cadhérine ont un vaste champ d'application dans le traitement de la PR ainsi que pour le développement de nouvelles thérapies pouvant s'étendre à d'autres pathologies vasculaires. / The vascular endothelium barrier function is influenced by vascular endothelial cadherin (VE-cadherin) modifications such as its cytoplasmic tail tyrosine phosphorylation and its ecto-domain cleavage (sVE). The work reported herein was divided into two parts: 1- Study of VE-cadherin modifications and the mechanisms underlying these ones in the rheumatoid arthritis context. This work demonstrated that VE-cadherin is a target of TNFα, a highly important cytokine in rheumatoid arthritis (RA) pathogenesis. We found TNFα to induce sVE shedding in a Src kinase dependent manner, suggesting the involvement of phosphorylation mechanism in this process. In addition, this VE-cadherin cleavage requires matrix metalloproteinase activities such as that of MMP-2. Applying these fundamental data to clinical study showed that sVE was detected in sera of 63 RA patients and its titer was correlated with the disease activity. This finding suggests an obvious interest for assaying sVE in RA therapies. 2- Study of VE-cadherin tyrosine phosphorylation in a context of hormones-regulated angiogenesis during mouse estrous cycle. The results showed VE-cadherin phosphorylation at Y685 that was regulated along mouse estrous cycle allowing to proposing mouse estrous cycle as a physiological model for studying VE-cadherin phosphorylation in vivo. The analysis of VE-cadherin Y685F knock-in mice (VE-Y685F) showed that these mice exhibit a higher vascular permeability in uterus and ovaries and the skin small capillaries compared to wild-type animals. Moreover, VE-Y685F mice presented higher levels of soluble VE-cadherin compared to wild-type counterparts in two induced arthritis model. Altogether, sVE and VE-cadherin phosphorylation present an array of interests for RA therapies as well as developing new therapeutic tools in RA and other vascular diseases.

La recherche de maïs plus tolérants au déficit hydrique est un enjeu fondamental pour la production agricole dans les prochaines décennies. Le but ce travail a été d’identifier et de caractériser des gènes impliqués dans la variation de caractères complexes affectés par le déficit hydrique chez le maïs.Nous avons tout d’abord identifié des transcrits et des protéines, dont la teneur variait entre deux mélanges de lignées recombinantes différant pour une région chromosomique influençant la croissance foliaire et la protandrie en condition de déficit hydrique. Parmi les huit gènes candidats cartographiés au niveau de la région d’intérêt, se trouvait le facteur de transcription ZmMYB31 impliqué dans la biosynthèse de la lignine. Nous avons montré que son expression était corrélée à celle de deux de ses cibles, à la teneur en lignine et à l’expression du gène ZmFatA impliqué dans la biosynthèse des acides gras, suggérant un rôle régulateur de la protéine ZmMYB31 via la synthèse de lignine et de dérivés lipidiques.Dans un second volet, nous avons montré que la sur-expression du gène candidat ZmASR1 (ZmASR1-OE) chez le maïs maintenait le rendement en condition de déficit hydrique. Des analyses transcriptomiques et protéomiques nous ont permis d’identifier 25 cibles de la protéine ZmASR1, dont sept gènes impliqués dans la biosynthèse des acides aminés branchés. Nous avons également montré qu’il existait une étroite corrélation entre 13 métabolites diminués par ZmASR1-OE, six étant connus pour être négativement corrélés à la biomasse. Enfin, des résidus phosphorylés ont été identifiés chez les protéines ZmASR1, ZmASR2 et ZmASR3, suggérant leur régulation par phosphorylation. / Maize is particularly sensitive to water deficit at reproductive stages. As such, identification of factors that confer tolerance to water deficit would pave the way for increasing agricultural productivity. The aim of this work was to identify and make up the functional characterization of candidate genes for water deficit tolerance in maize.Firstly, transcriptomic and proteomic analyses of bulked recombinant inbred lines revealed eight differentially expressed genes colocating with a chromosomal region exhibiting two QTLs for leaf growth and anthesis-silking interval sensitivities to water deficit. Among them, we identified the transcription factor ZmMYB31 gene involved in the control of lignin biosynthesis. The expression of ZmMYB31 was correlated with that of its targets genes ZmCOMT and ZmFAD9, as well as ZmFatA involved in fatty acid biosynthesis. Changes in lignin and fatty acid content allowed us to hypothesis a regulatory role of ZmMYB31 via lignin and fatty acid-derived metabolites.Secondly, we showed that transgenic maize plants overexpressing the candidate gene ZmASR1 (ZmASR1-OE) maintained kernel yield under water deficit condition in the field. Transcriptomic and proteomic analyses of ZmASR1-OE leaves allowed us to identify 25 direct or indirect target genes of ZmASR1, in particular seven genes involved in branched-chain amino acid (BCAA) biosynthesis. We also showed a tight correlation between the level of 13 decreased metabolites in ZmASR1-OE leaves, 6 of which being previously shown to be negatively correlated to biomass. Phosphoresidues were also found in ZmASR1, ZmASR2 and ZmASR3, suggesting that these proteins are regulated by phosphorylation.

CARM1 et PRMT1 sont 2 Protein Arginine MethylTransferases (PRMTs) impliquées dans la prolifération et dérégulées dans le cancer. La dimérisation est une caractéristique commune aux PRMTs. PRMT1 et CARM1 coopèrent dans la régulation des gènes mais il n'existe pas de données concernant un hétérodimère CARM1/PRMT1. Nous avons trouvé que PRMT1 et CARM1 sont surexprimées dans le cancer du poumon non à petites cellules et dans 2 lignées d'adénocarcinomes pulmonaires, A549 et H1299. Les siPRMT1 réduisent la prolifération cellulaire et facilitent la différentiation. Les siCARM1 produisent un effet similaire mais, comme ceci a déjà été décrit, suppriment l'expression de PRMT1 en plus de celle de CARM1. Ainsi, CARM1 peut-elle réduire la prolifération par un effet direct ou en inhibant PRMT1. Ce résultant souligne l'intérêt d'étudier la formation de l'hétérodimère CARM1/PRMT1. Nous avons trouvé que dans les cellules A549, CARM1 n'est pas phosphorylée sur la sérine 228, interagit avec PRMT1, méthyle les promoteurs de 2 gènes cibles (Sox2 et Nanog) et est localisée dans le noyau. Dans les cellules H1299, CARM1 est phosphorylée sur la sérine 228, n'interagit pas avec PRMT1, ne méthyle pas les promoteurs de Sox2 et Nanog et est localisée dans le cytoplasme. L'inhibition de la kinase MAP2K3 empêche la phosphorylation de CARM1 sur la sérine 228 et restaure l'interaction CARM1/PRMT1 dans les cellules H1299. En conclusion, l'invalidation de PRMT1 réduit la prolifération dans les cancers du poumon. L'invalidation de CARM1 réduit aussi la prolifération probablement par l'intermédiaire de la suppression de PRMT1. Nous suggérons que MAP2K3 est la kinase qui phosphoryle CARM1 sur la sérine 228 et que cette phosphorylation inhibe l'interaction CARM1/PRMT1. La formation de l'hétérodimère CARM1/PRMT1 pourrait constituer un moyen pour réguler l'activité de ces 2 enzymes / PRMT1 and CARM1 are 2 Protein Arginine MethylTransferases (PRMTs) implicated in cell proliferation and deregulated in cancer. Dimerisation is a conserved feature in the PRMT family. PRMT1 and CARM1 cooperate in gene regulation but CARM1/PRMT1 heterodimer is not yet characterised. We report that, PRMT1 and CARM1 are overexpressed in non-small cell lung cancer samples and in 2 lung adenocarcinoma cell lines, A549 and H1299. siPRMT1 reduce proliferation and promote differentiation. siCARM1 yield similar consequences but, as this was previously described, suppress PRMT1 expression in addition to CARM1 expression. Thus CARM1 might reduce proliferation by a direct effect or alternatively through PRMT1 suppression. This result reinforces the interest of investigating the CARM1/PRMT1 heterodimer formation. We found that in A549 cells, CARM1 is not phosphorylated at serine 228, interacts with PRMT1, methylates the promoter of 2 target genes (Sox2 and Nanog) and is localized in the nucleus. In H1299 cells, CARM1 is phosphorylated at serine 228, does not interact with PRMT1, does not methylate Sox2 and Nanog promoters and is localized in the cytoplasm. Inhibition of the kinase MAP2K3 prevents the phosphorylation of CARM1 at serine 228 and restores CARM1/PRMT1 interaction in H1299 cells. In conclusion, we propose that PRMT1 knock-down reduces proliferation in lung cancer. CARM1 knock-down reduces proliferation probably through the suppression of PRMT1. We suggest that MAP2K3 is the candidate kinase that phosphorylates CARM1 at serine 228 and that phosphorylation inhibits CARM1/PRMT1 interaction. CARM1/PRMT1 heterodimer formation might be a way of regulating the activities of these enzymes

La conductivité hydraulique racinaire (Lpr) traduit la capacité de transport d’eau de la racine. Lors de son trajet du sol vers le xylème, l’eau diffuse au sein de l’apoplasme ou au travers des cellules (voie de cellule-à-cellule). Au niveau de l’endoderme, la diffusion apoplasmique de l’eau est bloquée par le cadre de Caspari et des lamelles de subérine. La voie de cellule-à-cellule dépend principalement de l’activité des aquaporines régulées en partie par des interactions protéiques. Ce travail caractérise de nouveaux interactants de l’aquaporine racinaire PIP2;1 : le récepteur kinase RKL1 et 4 protéines de fonction inconnue appartenant à la sous-famille 1 des Casparian Strip membrane domain Protein Like (CASPL1) (CASPL1-B1/B2/D1/D2). RKL1 est exprimée dans l’endoderme, est capable d’interagir physiquement avec PIP2;1 et stimule in vitro le transport d’eau par l’aquaporine. Cependant, l’inactivation de RKL1 n’affecte pas la Lpr sans que cela ne puisse être expliqué par une redondance fonctionnelle avec son plus proche homologue, RLK902. Une étude bibliographique suggère que l’interaction entre RKL1 et PIP2;1 interviendrait dans une voie de signalisation en réponse à une attaque pathogène. Concernant les CASPL, D1 est exprimé dans tous les tissus, alors que B1, B2 et D2 semblent uniquement exprimés dans des territoires subérisés. Ce profil suggère une implication de B1, B2 et D2 dans une régulation des aquaporines et de la subérisation. Au niveau moléculaire, D2, malgré son interaction physique avec PIP2;1, ne module pas le transport d’eau par l’aquaporine. En revanche, B1 interagit préférentiellement avec PIP2;1 sous une forme phosphorylée et stimule le transport d’eau par l’aquaporine. Au niveau de la plante entière, l’inactivation d’un ou deux gènes CASPL n’affecte ni la Lpr., ni la subérisation. Par contre, l’inactivation de PIP2;1 et PIP2;2 révèle un effet inhibiteur de ces aquaporines sur la subérisation. Cette étude a permis de décrire de nouveaux mécanismes originaux de régulation des aquaporines. Elle pose également, la question de l’existence d’une relation entre les transports d’eau par la voie apoplasmique et par les aquaporines. / The root hydraulic conductivity (Lpr) reflects the water transport capacity of the root. During its transfer from the soil to the xylem, water can diffuse in the apoplasm or through the cells (cell-to-cell pathway). At the endodermis, the apoplastic diffusion of water is blocked by the Casparian Strip and suberin lamellae. The cell-to-cell pathway mainly relies on aquaporin activity which can be regulated by protein interactions. This study aims at characterizing new interactants of the root aquaporin PIP2;1: the receptor kinase RKL1 and 4 proteins of unknown function belonging to the Casparian Strip membrane domain Protein Like 1 sub-family (CASPL1-B1/B2/D1/D2). RKL1 is expressed in the endodermis, can physically interact with PIP2;1 and stimulates its water transport function in vitro. However a loss-of-function of RKL1 does not affect the Lpr., independently of a putative functional redundancy with its closest homolog RLK902. Concerning CASPL, D1 is expressed in every tissue of the root whereas B1, B2 and D2 appear to be specifically expressed in suberized tissues. This suggests a putative role of these isoforms in aquaporin regulation and suberisation. At the molecular level, D2 does not modulate PIP2;1 water transport activity despite a physical interaction between the two partners. By contrast, B1 interacts with PIP2;1 preferentially in its phosphorylated form and enhances the water transport activity of the aquaporin. At the plant level, disrupting one or two CASPL genes neither impact the Lpr nor affect the suberisation. However, the loss of function of both PIP2;1 and PIP2;2 reveals a negative effect of these aquaporins on suberisation. In conclusion, this study, uncovered novel regulation mechanisms of aquaporins. It also raises the question of the existence of a putative relationship between water transport by the apoplastic pathway and by aquaporins.

Les NADPH oxydases constituent une famille d’enzymes dont la fonction est dédiée à la production de formes réactives de l’oxygène. NOX1, un des membres de cette famille, est abondamment exprimée dans le colon et sa dérégulation pourrait être associée aux maladies inflammatoires chroniques de l’intestin. Les mécanismes qui modulent l’activation de NOX1 demeurent mal connus. Au cours de ma thèse je me suis donc intéressée à l’étude de la phosphorylation de NOXA1 et NOXO1, deux sous-unités régulatrices du complexe NOX1 et ai démontré 1) que la phosphorylation de NOXA1 constitue un mécanisme de régulation négative de l’activité de NOX1 en vue de maintenir l’activité constitutive du complexe à un niveau adéquat et non excessif. 2) pour la première fois, que NOXO1β est phosphorylée et que cette phosphorylation entraîne une hyperactivation de NOX1. L’ensemble de ces données montre que NOX1 est finement régulée. Par ce biais, NOX1 pourrait être impliquée dans la défense anti-infectieuse de l’intestin. / The NOX family of NADPH oxidases are enzymes which function is dedicated to the production of reactive oxygen species. NOX1, a member of this family is expressed abundantly in the intestine and its disregulation could be linked to inflammatory diseases such as inflammatory bowel diseases. However, the molecular basis of NOX1 regulation remains unclear. During my thesis, I demonstrated that 1) NOXA1, the activator cytosolic subunit of the NOX1 complex, is phosphorylated and its phosphorylation prevents hyperactivation of NOX1 in order to maintain a constitutive activity which would not be too excessive. 2) phosphorylation of human NOXO1, the organizer subunit of the complex is a prerequisite of full activation of NOX1. Taken together, these results demonstrate that NOX1 is tightly regulated by phosphorylation events. By this mean, NOX1 could be involved in host immune defense of the intestine.

Avec plus de 100 milliards de globules rouges produits chaque jour, le lignage érythroïde présente la plus grande capacité de production cellulaire chez le mammifère adulte. Cette production requiert une balance fine entre la prolifération cellulaire, régulée principalement par la voie de signalisation érythropoïétine (Epo)/PI3K/Akt, et la différenciation érythroïde induite par le couple de facteurs de transcription GATA-1/FOG-1. Des interconnexions entre ces deux grands systèmes ont été décrites dans le laboratoire : 1) le facteur de transcription GATA-1 est phosphorylé par Akt en réponse à l’Epo et cette phosphorylation semble avoir un rôle dans la différenciation érythroïde ; 2) GATA-1 est capable d’interagir avec la protéine du rétinoblastome pRb, impliquée dans la régulation du cycle cellulaire, et le complexe formé est nécessaire à l’érythropoïèse terminale.L'objectif de ma thèse était d’étudier les mécanismes moléculaires impliqués dans la balance prolifération/différenciation cellulaire au cours de l’érythropoïèse, et en particulier de déterminer le rôle moléculaire et physiologique de la phosphorylation de GATA-1 par Akt en réponse à l’Epo. Nos travaux ont montré que cette phosphorylation est une des clefs de la dynamique de l’érythropoïèse. Dans sa forme non phosphorylée, GATA-1 ralentit le cycle cellulaire via le complexe GATA-1/pRb/E2F. Cette étape préliminaire est nécessaire à la mise en place de la différenciation érythroïde terminale. La phosphorylation de GATA-1 induit d’une part la dissociation de GATA-1/pRb/E2F favorisant l’expansion cellulaire, et d’autre part la formation du complexe GATA-1/FOG-1 nécessaire à l’activation des gènes érythroïdes. Ce modèle apporte une explication moléculaire au blocage de la différenciation érythroïde terminale induite par le mutant GATA-1V205G qui n’interagit pas avec FOG-1. Ainsi, la phosphorylation constitutive de GATA-1V205G et l’augmentation de la quantité relative de FOG-1 permettent de restaurer la différenciation érythroïde induite par ce mutant in vitro. Enfin, l’étude d’un modèle murin exprimant une protéine GATA-1 non phosphorylable par Akt montre l’apparition d’une anémie létale lorsque la voie IGF-1 est inhibée. Cela démontre l’importance de la dynamique moléculaire induite par la phosphorylation de GATA-1, et met en évidence le rôle majeur de l’IGF-1 dans l’érythropoïèse in vivo.En conclusion, nous proposons un nouveau modèle moléculaire de la régulation de la balance prolifération/différenciation érythroïde dans lequel la phosphorylation de GATA-1 par Akt coordonne la distribution de GATA-1 dans deux complexes protéiques fonctionnels différents : GATA-1/pRb/E2F versus GATA-1/FOG-1. Nous mettons également en évidence l’IGF-1 comme acteur central de la compensation mise en place in vivo pour pallier à l’absence de phosphorylation de GATA-1. / With more than 100 billion red blood cells generated every day, the erythroid lineage has the largest output of cell production in adult mammals. This production requires a tight balance between cell proliferation, mainly controlled by erythropoietin (Epo)/PI3K/Akt signaling pathway, and erythroid differentiation induced by GATA-1 and FOG-1 transcription factors. Various links between these two processes have been previously demonstrated in the laboratory: 1) Epo-activated Akt directly phosphorylates GATA-1 transcription factors, and this phosphorylation seems to be involved in erythroid differentiation; 2) GATA-1 binds to the cell cycle regulator retinoblastoma protein (pRb), and the resulting complex is essential for terminal erythropoiesis.We investigated the molecular mechanisms involved in the cell proliferation/differentiation balance during terminal erythropoiesis; in particular, we studied the molecular and physiological role of Epo-induced GATA-1 phosphorylation. Our findings suggest that this phosphorylation is one of the key processes in erythropoiesis dynamics. In its unphosphorylated form, GATA-1 can break cell cycle progression via GATA-1/pRb/E2F complex. This preliminary step is necessary for terminal erythroid differentiation. GATA-1 phosphorylation promotes GATA-1/pRb/E2F dissociation, allowing cell cycle progression, and GATA-1/FOG-1 binding, necessary to activate erythroid genes. Our model provides a molecular explanation for the arrest of terminal erythroid differentiation observed in the non-FOG-1-binding mutant GATA-1V205G. We show that the constitutive phosphorylation of GATA-1V205G and the increase of FOG-1 protein amount rescue erythroid differentiation in vitro. Finally, knock-in expression of unphosphorylatable GATA-1 in mice leads to lethal anemia when the IGF-1 signaling pathway is inhibited. This shows the importance of the molecular dynamics of GATA-1 phosphorylation, and highlights the major role of IGF-1 in erythropoiesis, in vivo.In conclusion, we propose a new molecular model for the control of the balance between proliferation and erythroid differentiation. GATA-1 phosphorylation by Akt coordinates the involvement of GATA-1 in two different functional protein complexes: GATA-1/pRb/E2F and GATA-1/FOG-1. We also highlight the major role of IGF-1 in compensating for the lack of GATA-1 phosphorylation in vivo.

Reg-1α est une protéine essentielle du système digestif impliquée dans des fonctions de prolifération, différenciation et régénération. Elle est exprimée et sécrétée par les neurones du système nerveux central où elle stimule la croissance neuritique et régule la différenciation et la migration des cellules précurseurs neurales via son récepteur EXTL3 et la voie GSK-3β. Par ailleurs, Reg-1α est surexprimée dans les cerveaux de patients Alzheimer et nos études préliminaires montrent qu’elle est associée à Tau hyperphosphorylée. Nous avons étudié dans ce contexte (1) le rôle de Reg-1α dans les processus neurodégénératifs liés à Tau et les voies de signalisation impliquées et (2) sa localisation dans le cerveau de souris transgéniques exprimant Tau mutée P301L/R406W. Nous avons montré que la surexpression de Reg-1α dans des neurones différenciés ne modifie pas significativement la voie Akt/GSK-3β/P-Tau mais induit la formation d’amas de Tau anormalement phosphorylée et une perturbation modérée du transport axonal. Par contre, sur des neurones surexprimant TauP301L, Reg-1α stimule la phosphorylation de Tau via Akt/GSK-3β entrainant la formation accentuée de renflements neuritiques et la perturbation sévère du transport axonal. In vivo, Reg-1α augmente avec l’âge dans le cerveau des souris contrôles et son expression est plus importante dès 5 mois chez les souris PLB2 Tau comparée aux souris sauvages. De plus, Reg-1α est associée à l’accumulation de Tau phosphorylée en S202 chez les souris transgéniques. Reg-1α est une protéine pouvant moduler l’hyperphosphorylation de Tau et le transport axonal et donc pourrait jouer un rôle dans le développement des tauopathies. / Reg-1α is an essential protein of the digestive system involved in proliferation, differentiation and regeneration functions. It is also expressed and secreted by neurons of the central nervous system where it stimulates neurite outgrowth and regulates differentiation and migration of neural precursor cells via its receptor EXTL3 and GSK-3β pathway. Moreover, Reg-1α is overexpressed in the brain of Alzheimer's patients and our preliminary studies show that it is associated with hyperphosphorylated Tau. We studied in this context (1) the role of Reg-1α in neurodegenerative processes associated with Tau and the involved signaling pathways and (2) its location in the brain of transgenic mice expressing mutated Tau P301L/R406W (PLB2 mice). We showed that overexpression of Reg-1α in differentiated neurons does not significantly modify the Akt/GSK-3β/P-tau pathway. However it induces the formation of neuritic swellings associated with abnormal phosphorylated Tau and leads to the disruption of axonal transport. Furthermore, in neurons overexpressing TauP301L, Reg-1α overexpression stimulates Tau phosphorylation via Akt/GSK-3β regulation and results in the increase of neuritic bulges and severe disruption of axonal transport. In vivo, Reg-1α expression increases with age in brains of control mice and is already higher in 5 month-old PLB2 Tau mice compared with age-matched controls. Cellular localization showed that Reg-1α is associated with the accumulation of phosphorylated Tau S202 in PLB2 mice. Finally, Reg-1α can regulate Tau hyperphosphorylation and axonal transport and consequentely could be involved in Tauopathy development.

Chau Wing-Kam. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2005. / Includes bibliographical references (leaves 92-101). / Abstracts in English and Chinese. / Abstract --- p.I / Abstract (Chinese version) --- p.III / Acknowledgement --- p.IV / List of Abbreviations --- p.VIII / List of Tables --- p.IX / List of Figures --- p.X / Chapter Chapter 1 --- Introduction / Chapter 1.1 --- Neurodegenerative diseases --- p.2 / Chapter 1.2 --- Tauopathies --- p.5 / Chapter 1.3 --- Function and structure of Tau --- p.9 / Chapter 1.4 --- Post-translational modifications of Tau --- p.13 / Chapter 1.5 --- Tau protein kinases --- p.17 / Chapter 1.6 --- Tau protein kinase inhibitors --- p.19 / Chapter 1.7 --- Drosophila model of Tauopathies --- p.20 / Chapter 1.8 --- Aims of study --- p.24 / Chapter Chapter 2 --- Materials and methods / Chapter 2.1 --- Drosophila manipulation / Chapter 2.1.1 --- Drosophila genetics --- p.26 / Chapter 2.1.2 --- External fly eye and adult wing morphology examination --- p.27 / Chapter 2.1.3 --- Study of fly wings deformation on Tau kinase overexpression --- p.27 / Chapter 2.2 --- RNA extraction / Chapter 2.2.1 --- Method --- p.28 / Chapter 2.2.2 --- Buffers and reagents --- p.29 / Chapter 2.3 --- Reverse transcription-PCR / Chapter 2.3.1 --- Method --- p.30 / Chapter 2.3.2 --- Buffers and reagents --- p.31 / Chapter 2.4 --- SDS-Polyacrylamide gel electrophoresis / Chapter 2.4.1 --- Method --- p.31 / Chapter 2.4.2 --- Buffers and reagents --- p.32 / Chapter 2.5 --- Western blotting / Chapter 2.5.1 --- Method --- p.32 / Chapter 2.5.2 --- Buffers and reagents --- p.33 / Chapter 2.6 --- Phosphatase treatment of proteins / Chapter 2.6.1 --- Method --- p.34 / Chapter 2.6.2 --- Buffers and reagents --- p.34 / Chapter 2.7 --- Sequential extraction of proteins / Chapter 2.7.1 --- Methods --- p.35 / Chapter 2.7.2 --- Buffers and reagents --- p.36 / Chapter 2.8 --- Sarkosyl extraction of proteins / Chapter 2.8.1 --- Method --- p.37 / Chapter 2.8.2 --- Buffers and reagents --- p.37 / Chapter 2.9 --- Immunostaining / Chapter 2.9.1 --- Method --- p.38 / Chapter 2.9.2 --- Buffers and reagents --- p.38 / Chapter 2.10 --- Lithium treatment of flies / Chapter 2.10.1 --- Method --- p.39 / Chapter 2.10.2 --- Buffers and reagents --- p.40 / Chapter 2.11 --- Quantitation of Lithium ion by atomic absorption spectrometry / Chapter 2.11.1 --- Method --- p.40 / Chapter 2.12 --- Statistical analysis --- p.41 / Chapter Chapter 3 --- Results / Chapter 3.1 --- GAL4/UAS gene expression system in transgenic fly / Chapter 3.1.1 --- Introduction --- p.43 / Chapter 3.1.2 --- Results --- p.47 / Chapter 3.1.3 --- Discussion --- p.52 / Chapter 3.2 --- Tau phosphorylation and Tau-induced toxicity in transgenic fly / Chapter 3.2.1 --- Introduction --- p.52 / Chapter 3.2.2 --- Results / Chapter 3.2.2.1 --- Overexpressed Tau is phosphorylated and toxic in fly --- p.53 / Chapter 3.2.2.2 --- Coexpression of GSK3β/Shaggy or Cdk5 enhance Tau phosphorylation and Tau-induced toxicity --- p.57 / Chapter 3.2.2.3 --- Lithium suppresses Tau phosphorylation and Tau-induced toxicity --- p.64 / Chapter 3.2.3 --- Discussion --- p.68 / Chapter 3.3 --- Tau solubility properties in transgenic fly / Chapter 3.3.1 --- Introduction --- p.69 / Chapter 3.3.2 --- Results / Chapter 3.3.2.1 --- Coexpression of GSKlβ/Shaggy does not alter the sarkosyl solubility of Tau --- p.70 / Chapter 3.3.2.2 --- Coexpression of GSK3β/Shaggy causes a minor alteration of Tau solubility properties --- p.73 / Chapter 3.3.3 --- Discussion --- p.78 / Chapter 3.4 --- Tau aggregate formation in transgenic fly / Chapter 3.4.1 --- Introduction --- p.79 / Chapter 3.4.2 --- Results / Chapter 3.4.2.1 --- Tau aggregates are detected in aged transgenic flies --- p.80 / Chapter 3.4.3 --- Discussion --- p.82 / Chapter 3.5 --- Effect of Lithium on GSK3p/Shaggy-induced wing deformation / Chapter 3.5.1 --- Introduction --- p.83 / Chapter 3.5.2 --- Results / Chapter 3.5.2.1 --- Lithium rescues GSK3β/Shaggy-induced wing deformation --- p.84 / Chapter 3.5.3 --- Discussion --- p.86 / Chapter Chapter 4 --- General discussion --- p.87 / References --- p.92

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Fertilization is a process that generates the first cell of a new organism. In mammals, fertilization occurs in the female reproductive tract. The male gametes (spermatozoa) are rendered fertilization-competent only after they undergo capacitation and acrosome reaction (AR). The set of physiological changes, characterised by the acquisition of hyperactivated motility, that render the spermatozoa fertilization competent is known as capacitation. Using in vitro models, the complex intracellular signaling events mediating this process are still being understood. This thesis explores the role of protein tyrosine phosphorylation during capacitation using the golden hamster (Mesocricetus auratus) spermatozoa. The knowledge about the molecular components involved in capacitation, apart from enriching our understanding about a basic cellular process could also provide leads in the management of male (in)fertility. A comprehensive review on the perspectives of male reproduction, spermatogenesis, the structural features of a spermatozoon and sperm maturation, relevant to the content of the thesis is provided in Chapter-1 (General Introduction). Molecular mediators that initiate capacitation include cAMP, Ca2+and HCO3- ions. These signalling molecules regulate activities of protein kinases and phosphatases, which control the level of protein phosphorylation in spermatozoa. Capacitation-associated increase in protein phosphorylation, specifically protein tyrosine phosphorylation (PYP) has been demonstrated in a few species such as mouse, rat and human. The unique nature of PYP signaling during sperm capacitation has been exemplified by discoveries of several male germ cell-specific signalling molecules like soluble adenylate cyclase. However,molecular identities of tyrosine-phosphorylated proteins and their functional role during sperm capacitation are yet to be investigated in detail. In this context, the effect of modulating intracellular levels of signaling molecules upstream of protein phosphorylation was sought using pentoxifylline (PF), a cAMP phosphodiesterase inhibitor. Interestingly, PF-induced capacitation was associated with an early induction of tyrosine phosphorylation of proteins (45-80 kDa) localized to the mid piece of the sperm tail. Interestingly, the ultrastructural localization of tyrosine-phosphorylated proteins in the sperm tail by immunoelectron microscopy (IEM) revealed most intense immunolabelling in the fibrous sheath, followed by outer dense fibers (ODFs)and the axoneme. Data pertaining to the effect of PF on sperm capacitation and the associated protein-phosphorylation is presented in Chapter-2. Since PYP was determined to be extremely critical for hyperactivation in spermatozoa, the involvement of protein tyrosine kinases (PTKs) in this process was assessed using a specific PTK inhibitor, tyrphostin A47 (TP-47: EGFR-TK specific). The third chapter deals with the effect of tyrphostins on sperm capacitation and PYP. A dose-dependent inhibition by TP-47 of capacitation and principal piece associated-PYP of ~45-60 kDa proteins was observed. Interestingly, TP-47 treated-spermatozoa exhibited a circular motility pattern; when assessed for kinematic parameters, by computer aided sperm analysis, sperm showed lower values for key kinematic parameters as compared to the controls. While sperm viability in TP-47- treated samples was not affected, the ATP content reduced towards latter (4-5 h) part of culture as compared to the controls. When spermatozoa were treated with two other PTK inhibitors, tyrphostin AG1478 (EGFR-TK specific) and tyrphostin AG1296 (PDGFR-TK specific), they did not show any changes in kinematic parameters or PYP, indicating that the TP-47-effect was compound-specific. The fourth chapter of this thesis involves the molecular analysis of proteins hypo-tyrosine phosphorylated in the presence of TP-47, which started with the enrichment of sperm flagellar proteins that are tyrosine phosphorylated during capacitation, using various detergents. Detergent extractions established that most tyrosine-phosphorylated proteins were non-membranous in nature, which complemented the IEM data. Therefore, phosphoproteome analysis of the untreated and TP-47-treated sperm samples was performed. For this, protein extracts were subjected to 2D-PAGE-phosphotyrosine immunoblots. A 51 kDa spot and two 45 kDa spots, corresponding to the hypo-tyrosine phosphorylated spots, were analyzed by MS/MS. While peptides from the 51 kDa protein matched with tektin-2 (a microtubular protein), those of the 45 kDa spots matched with ODF-2 protein of the sperm flagellum. Validation of the presence of tektin-2 and ODF-2 protein and their tyrosine-phosphorylated forms on sperm capacitation in the hamster spermatozoa has also been performed. In addition to detailing the role of PYP in hamster sperm capacitation, this study revealed the identities of a few of these proteins, whose tyrosine phosphorylated status could be critical for optimal sperm flagellar bending, required for sperm hyperactivation. By understanding causes that lead to altered sperm function, for example, as observed with hamster spermatozoa, new insights could be achieved into molecular regulatory mechanisms that govern sperm function in clinical cases of non-obstructive male infertility in the human.