abstract: Glioblastoma (GBM) is the most common primary brain tumor with an incidence of approximately 11,000 Americans. Despite decades of research, average survival for GBM patients is a modest 15 months. Increasing the extent of GBM resection increases patient survival. However, extending neurosurgical margins also threatens the removal of eloquent brain. For this reason, the infiltrative nature of GBM is an obstacle to its complete resection. We hypothesize that targeting genes and proteins that regulate GBM motility, and developing techniques that safely enhance extent of surgical resection, will improve GBM patient survival by decreasing infiltration into eloquent brain regions and enhancing tumor cytoreduction during surgery. Chapter 2 of this dissertation describes a gene and protein we identified; aquaporin-1 (aqp1) that enhances infiltration of GBM. In chapter 3, we describe a method for enhancing the diagnostic yield of GBM patient biopsies which will assist in identifying future molecular targets for GBM therapies. In chapter 4 we develop an intraoperative optical imaging technique that will assist identifying GBM and its infiltrative margins during surgical resection. The topic of this dissertation aims to target glioblastoma infiltration from molecular and cellular biology and neurosurgical disciplines. In the introduction we; 1. Provide a background of GBM and current therapies. 2. Discuss a protein we found that decreases GBM survival. 3. Describe an imaging modality we utilized for improving the quality of accrued patient GBM samples. 4. We provide an overview of intraoperative contrast agents available for neurosurgical resection of GBM, and discuss a new agent we studied for intraoperative visualization of GBM. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Neuroscience 2014

La neuromyélite optique (NMO) est une maladie inflammatoire du système nerveux central récemment mieux comprise par la découverte d’un anticorps sérique spécifique dirigé contre l’aquaporine 4 (anticorps anti-AQP4). L’objectif de cette thèse a été de développer une recherche translationnelle pour améliorer la connaissance de la réponse immunitaire dans la NMO. Nous avons d’abord développé et étudié un modèle animal de NMO en laboratoire afin de mieux comprendre la physiopathologie d’une inflammation optico-médullaire. Nous avons aussi amélioré la connaissance de la NMO humaine. Nous avons montré que la réactivité anti-AQP4 n’était pas corrélée à l’activité de la maladie et retrouvé une réactivité contre d’autres protéines que l’AQP4. Nous avons aussi mis en évidence des anomalies métaboliques sériques (scyllo-inositol et acétate), et une diminution du volume de la substance blanche cérébrale, ce qui ouvre la voie à de nouvelles recherches pour confirmer et exploiter ces résultats. / Neuromyelitis optica (NMO) is an inflammatory disease of the central nervous system in which a specific antibody targeting aquaporin 4 (anti-AQP4) was recently found. The aim of this thesis is to develop a translational research in order to improve our knowledge of the immune response in NMO. We have therefore studied a animal model mimicking NMO and allowing a better comprehension of optico-spinal inflammation. In the human subjects suffering from NMO, we have also found that anti-AQP4 reactivity was not correlated to the disease activity and that reactivities against other proteins may exist. We have discovered changes in the serum concentrations of some metabolites (scyllo-inositol and acetate) and a decrease in the volume of brain white matter. These findings have to be confirmed by other studies and may improve our comprehension of NMO.

Les mouvements stomatiques en réponse aux stimuli environnementaux sont cruciaux pour le contrôle du statut hydrique de la plante et sa protection contre les pathogènes. L'acide abscissique (ABA) et les Motifs Moléculaires Associés aux Pathogènes (PAMPs), comme le peptide flg22, déclenchent, via le peroxyde d'hydrogène (H2O2), des processus de signalisation qui conduisent à la fermeture stomatique. Bien que les mouvements stomatiques impliquent d'importants flux membranaires d'eau et changements de volume cellulaire, le rôle des canaux hydriques membranaires (aquaporines, AQP) est resté hypothétique. Des expérimentations sur épidermes isolés montrent que les plantes pip2;1 d'Arabidopsis thaliana invalidées pour le gène codant pour PIP2;1, une AQP de la membrane plasmique, présentent un défaut de fermeture stomatique en réponse à l'ABA et au flg22, mais des réponses normales à l'obscurité, la lumière ou le dioxyde de carbone. Les protoplastes de cellules de garde de plantes sauvages présentent, contrairement aux protoplastes de plantes pip2;1, une augmentation de perméabilité hydrique (Pf) de deux fois en réponse à l'ABA. Une sonde génétique sensible à l'H2O2 (HyPer) a permis de révéler une accumulation d'H2O2 dans les cellules de garde de plantes sauvages en réponse à l'ABA et au flg22, accumulation qui est abolie chez les plantes pip2;1. SnRK2;6 (OST1), une protéine kinase étroitement liée aux récepteurs de l'ABA, est capable de phosphoryler in vitro un peptide cytoplasmique de PIP2;1, au niveau du résidu Ser121. SnRK2;6 augmente aussi l'activité de transport d'eau de PIP2;1 après co-expression en ovocytes de xénope. L'expression dans des plantes pip2;1 de formes mutées de PIP2;1 mimant un état phosphorylé (Ser121Asp) ou non phosphorylé (Ser121Ala) a permis de montrer que l'augmentation de Pf en réponse à l'ABA, l'accumulation intracellulaire d'H2O2 et la fermeture stomatique induites par l'ABA ou le flg22, requièrent la phosphorylation de PIP2;1 en Ser121. Ce travail fournit les premières évidences génétiques et physiologiques directes d'un rôle des AQPs dans les mouvements stomatiques. Nous proposons que PIP2;1 joue à la fois un rôle hydraulique et signalétique en facilitant le transport d'eau et H2O2 au travers de la membrane plasmique des cellules de garde. Sa phosphorylation en Ser121, par SnRK2.6 notamment, serait nécessaire à son activation dans ce contexte. / Stomatal movements in response to changing environmental conditions are crucial for controlling the plant water status and protecting plants against pathogens. Abscisic acid (ABA) or Pathogen-Associated Molecular Patterns (PAMPs) such as the flg22 peptide, induce, via hydrogen peroxide (H2O2), signaling networks that lead to stomatal closure. Although stomatal movements involve marked water fluxes and changes in cell volume, the role of membrane water channels (aquaporins, AQP) has remained hypothetical. Functional assays in epidermal peels showed that Arabidopsis thaliana pip2;1 plants invalidated for plasma membrane AQP PIP2;1 have a defect in stomatal closure in response to ABA and flg22, but normal responses to dark, light or carbon dioxide. Guard cell protoplasts from wild-type plants showed a two-fold increase in osmotic water permeability (Pf) in response to ABA which was fully abrogated in pip2;1 plants. Plants expressing a H2O2 sensitive probe (HyPer) revealed an accumulation of H2O2 in guard cells of wild-type plants in response to ABA and flg22, which was abolished in pip2;1 plants. OST1 (SnRK2.6), a protein kinase closely linked to ABA receptors, was able to phosphorylate, in vitro and at Ser121, a cytosolic peptide of PIP2;1. SnRK2.6 also enhanced PIP2;1 water transport activity after co-expression in Xenopus oocytes. Expression in pip2;1 plants of a phosphomimetic (Ser121Asp) or a phosphodeficient form (Ser121Ala) of PIP2;1 allowed to demonstrate that the increase in guard cell protoplast Pf, the intracellular accumulation of H2O2 and stomatal closure induced by ABA and flg22 require the phosphorylation of PIP2;1 at Ser121. This work provides the first direct genetic and physiological evidence for aquaporin function in guard cells. We propose that PIP2;1 plays both a hydraulic and signaling role in guard cells, by facilitating the transport of water and H2O2 across the guard cell plasma membrane. PIP2;1 phosphorylation at Ser121, by SnRK2.6 in particular, would be required in this context.

Astrocytes posses a wide range of functions within the brain. In response to ischemic conditions they swell due to increased uptake of osmolytes and they are mainly responsible for cytotoxic edema formation. However, they are also able to regulate their volume by releasing osmolytes together with water via the process of regulatory volume decrease (RVD). The Aquaporin 4 (AQP4) channel and Transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV4) channel are suspected to be strongly involved in these processes of astrocytic volume regulation. The goal of the present diploma thesis was to clarify the role of both channels in astrocytic swelling in situ. For our experiments we used a subpopulation of green fluorescent protein-labelled astrocytes from AQP4-deficient (AQP4-/- ), TRPV4-deficient (TRPV4-/- ) and control (Ctrl) mice. Cell volume alterations were induced in acute brain slices by hypoosmotic stress or by oxygen-glucose deprivation (OGD). Data were quantified using fluorescence intensity-based approach in the whole cells and in astrocytic endfeet. Our results indicate, that there is no difference in astrocytic swelling or cell volume recovery between astrocytes from AQP4-/- , TRPV4-/- and control mice when exposed to hypoosmotic stress. On the contrary, volume changes induced by OGD varied...

No description available.

No description available.

Je utilise le AFM et le HS-AFM pour étudier les caractéristiques mécaniques du cellule du cristallin et aussi des protéines de membrane de la cellule, AQP0 et Connexon. L’énergie d'interaction de la AQP0 est -2.7 kBT, très nécessaire pour former les microdomaines de jonctions (junctional microdomain). Aussi c' est la première fois qu il est possible de voir des protéines individuel et son mouvement en cellules vivants. La formation de microdomaines est important pour la transparence du cristallin, et le AQP1 ne le peux faire. / I used the AFM and HS-AFM for characterise the eye lens and the eye lens membrane protein, AQP0 and connexon.A QP0-AQP0 interaction energy is -2.7kBT, it is important for the formation of junctional microdomains, which keep the distance between the cells lens and lens transparency. this is the first report which is present time the visualization of unlabelled membrane proteins on living cells under physiological conditions. AQP1 can not maintain the lens transparency because it does not form junctional microdomains.

No description available.

No description available.

Le diabète insipide néphrogénique (DIN) autosomal peut être causé par les mutations du gène codant pour le canal à eau aquaporine-2 (AQP2). Un modèle couramment utilisé pour l’étude des protéines membranaires telle l’AQP2 est l’expression hétérologue dans les ovocytes de Xenopus laevis. Malheureusement, les techniques déjà existantes de purification de membranes plasmiques sont soit trop longues, trop difficiles ou demandent trop de matériel, ne permettent pas l’analyse adéquate du ciblage des formes sauvage comme mutantes, un élément crucial de ce type d’étude. Nous avons donc dans un premier temps mis au point une technique rapide et efficace de purification de membranes plasmiques qui combine la digestion partielle de la membrane vitelline, sa polymérisation à la membrane plasmique suivi de centrifugations à basse vitesse pour récolter les membranes purifiées. Nous avons utilisé cette technique dans l’étude de deux nouveaux cas familiaux de patients hétérozygotes possédant les mutations V24A et R187C dans un cas et K228E et R187C dans le second cas. Pour chaque mutation, nous avons analysé autant les éléments de fonctionnalité que les paramètres d’expression des protéines mutantes. Les expériences de perméabilité membranaire démontrent que les ovocytes exprimant AQP2-V24A (Pf = 16.3 ± 3.5 x 10-4 cm/s, 10 ng) et AQP2- K228E (Pf = 19.9 ± 7.0 x 10-4 cm/s, 10 ng) ont des activités similaires à celle exprimant la forme native (Pf = 14.4 ± 5.5 x 10-4 cm/s, 1 ng), tandis que AQP2- R187C (Pf = 2.6 ± 0.6 x 10-4 cm/s, 10 ng) ne semble avoir aucune activité comme ce qui est observé chez les ovocytes non-injectés (Pf = 2.8 ± 1.0 x 10-4 cm/s). Les études de co-expression ont démontré un effet d’additivité lorsque AQP2-V24A et -K228E sont injectées avec la forme native et un effet s’apparentant à la dominance négative lorsque AQP2-R187C est injecté avec la forme native, avec AQP2-V24A ou avec –K228E. Les résultats obtenus par immunobuvardage représente bien ce qui a été démontré précédemment, on remarque la présence des mutations K228E, V24A et la forme sauvage à la membrane plasmique, contrairement à la mutation R187C. Cependant, lorsque les mutations sont exprimées dans des cellules mIMCD-3, il n’y a qu’une faible expression à la membrane de la forme –K228E et une absence totale des formes –V24A et –R187C à la membrane plasmique, contrairement à la forme native. Les résultats de nos études démontrent que tout dépendant du système d’expression les formes –K228E et –V24A peuvent être utiles dans l’étude des problèmes d’adressage à la membrane à l’aide de chaperonne chimique. De plus, la forme –R187C démontre des difficultés d’adressage qui devront être étudiées afin de mieux comprendre la synthèse des formes natives. / The autosomal nephrogenic diabetes insipidus (NDI) is caused by mutations of the gene coding for the water channel aquaporine-2 (AQP2). An oftenly used model for the study of membrane proteins such as AQP2 is the heterogenous expression in Xenopus laevis oocytes. Unfortunately, the existing techniques of plasma membranes purification are either too long, too difficult or require too much material, which does not allow adequate analysis of targeting of the native and mutants forms, which is crucial for this type of study. We developed a fast and effective plasma membrane purification technique which combines partial digestion of the vitellin membrane, its polymerization with the plasma membrane followed by a serie of low speed centrifugations to collect the purified membranes. We used this technique to study of two new family cases of heterozygote patients carrying the V24A and R187C mutations in a case and K228E and R187C in the second case. For each mutation, we analyzed the functionality and the parameters of expression of the mutant proteins. The membrane permeability experiments show that the oocytes expressing AQP2- V24A (Pf = 16.3 ± 3.5 x 10-4 cm/s, 10 ng) and AQP2-K228E (Pf = 19.9 ± 7.0 x 10-4 cm/s, 10 ng) have similar activities to the oocytes expressing the native form (Pf = 14.4 ± 5.5 x 10-4 cm/s, 1 ng), while AQP2-R187C (Pf = 2.6 ± 0.6 x 10-4 cm/s, 10 ng) doesn’t seem to have any activity like the un-injected oocytes (Pf = 2.8 ± 1.0 x 10-4 cm/s). The coexpression studies showed an additive effect when AQP2-V24A and -K228E are injected with the native form and an effect being associated with negative dominance when AQP2-R187C was injected with AQP2-V24A, -K228E and the native form. Western blot results confirmed what was observed in the functionality studies. However, when the mutations were expressed in mIMCD-3 cells, there was a slight expression of the K228E mutation to the plasma membrane and a total absence of the mutations –V24A and R187C at the plasma membrane. The results of our studies showed that depending on the expression system the mutations –K228E and -V24A can be used in targeting studies using chemical chaperones.