Traumatic brain injury (TBI), a leading cause of death and disability in the United States, causes potentially preventable damage in part through the dysregulation of neural calcium levels. This dysregulation likely affects the activity of the calcium-sensitive phosphatase, calcineurin, with serious implications for neural function. To test this possibility, the present study characterized the role of calcineurin in a rat model of brain trauma, the lateral fluid percussion injury model. Golgi-Cox histochemistry revealed an acute post-TBI loss and delayed overgrowth of dendritic spines on principal cortical cells. The spine loss appeared to require calcineurin activity, since administering a calcineurin inhibitor, FK506, 1 hour after TBI prevented the spine loss. Additional experiments showed how calcineurin activity might be related to the spine loss. Specifically, Western blots and enzyme activity assays revealed an acute increase in the cortical activity of calcineurin and its downstream effector, the actin-depolymerizing protein, cofilin. The cofilin activation was blocked by the same FK506 treatment that prevented spine loss, suggesting a relationship between cofilin activation and spine loss. To investigate long-term consequences of calcineurin activation after TBI, rats were administered FK506 (Tacrolimus) 1 hour after TBI and then monitored for spontaneous seizure activity months later. Acute post-TBI treatment with FK506 reduced the frequency of late non-convulsive seizures but did not prevent late convulsive seizures, cortical atrophy, or thalamic damage. The results of the present study implicate calcineurin in the acute dendritic remodeling and late non-convulsive seizures that occur after TBI. Importantly, these findings reveal calcineurin as a potential therapeutic target in the treatment of TBI and its sequalae.

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In this study, Naegleria fowleri, a pathogenic amoeba and the causative agent of Primary Amebic Meningoencephalitis (PAM), was utilized to determine the presence or absence of classically conserved Golgi molecules featured in the expression of a Golgi apparatus. Previous studies concluded no Golgi expression via light microscopy and transmission electron microscopy, but a recent report on Naegleria gruberi indicated the presence of dispersed Golgi tubules. Non-pathogenic species of the Naegleria genus such as Naegleria gruberi 30540 and Naegleria lovaniensis 30569 were utilized in Western immunoblot analysis compared to reduced whole-cell lysate proteins of two strains of N. fowleri and Vero CCL-81, Chlorocebus sp. kidney epithelial cells, which were utilized as a positive control for Golgi expression. N. fowleri and N. lovaniensis whole-cell lysates had indications of a 110 kDa reduced protein, associated with the predicted molecular weights of the beta-COPI subunit of the COPI cis-Golgi vesicular transport complex with further Western immunoblot indication of a weak band around 25 kDa corresponding to rabbit polyclonal antibodies specific for ARF1. Serial Dilutions of Wheat Germ Agglutinin Alexa Fluor 488TM were performed on Vero cells, Naegleria fowleri 30894, and N. gruberi 30540 with 1:100 dilution of recommended stock dilution of WGA 488 determined for utilization in sequential immunofluorescence. Sequential immunofluorescence with Wheat Germ Agglutinin Alexa Fluor 488TM and then blocked with 3% BSA:PBS [wt/vol] dilution with subsequent incubation in rabbit anti-beta-COPI primary 1:250, and 1:1000 of Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit secondary antibody exposure showed strong indications of organized cis- and trans-punctate Golgi body markers in close association in individual and dividing cells of Naegleria fowleri and conserved Golgi expression in the positive control Vero cells, but further experiments are necessary to verify this finding with N. fowleri.

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Le virus herpès simplex de type 1 (HSV 1) affecte la majorité de la population mondiale. HSV 1 cause de multiples symptômes délétères dont les plus communs sont les lésions orofaciales usuellement appelées feux sauvages. Le virus peut aussi causer des effets plus sérieux comme la cécité ou des troubles neurologiques. Le virus réside de façon permanente dans le corps de son hôte. Malgré l’existence de nombreux traitements pour atténuer les symptômes causés par HSV 1, aucun médicament ne peut éliminer le virus. Dans le but d’améliorer les connaissances concernant le cycle viral de HSV 1, ce projet cible l’étude du transport du virus dans la cellule hôte. Ce projet aura permis la collecte d’informations concernant le modus operandi de HSV 1 pour sortir des compartiments cellulaires où il séjourne. Les différentes expérimentations ont permis de publier 3 articles dont un article qui a été choisi parmi les meilleurs papiers par les éditeurs de « Journal of Virology » ainsi qu’un 4e article qui a été soumis. Premièrement, un essai in vitro reproduisant la sortie de HSV 1 du noyau a été mis sur pied, via l’isolation de noyaux issus de cellules infectées. Nous avons démontré que tout comme dans les cellules entières, les capsides s’évadent des noyaux isolés dans l’essai in vitro en bourgeonnant avec la membrane nucléaire interne, puis en s’accumulant sous forme de capsides enveloppées entre les deux membranes nucléaires pour finalement être relâchées dans le cytoplasme exclusivement sous une forme non enveloppée. Ces observations appuient le modèle de transport de dé-enveloppement/ré-enveloppement. Deuxièmement, dans le but d’identifier des joueurs clefs viraux impliqués dans la sortie nucléaire du virus, les protéines virales associées aux capsides relâchées par le noyau ont été examinées. La morphologie multicouche du virus HSV 1 comprend un génome d’ADN, une capside, le tégument et une enveloppe. Le tégument est un ensemble de protéines virales qui sont ajoutées séquentiellement sur la particule virale. La séquence d’ajout des téguments de même que les sites intracellulaires où a lieu la tégumentation sont l’objet d’intenses recherches. L’essai in vitro a été utilisé pour étudier cette tégumentation. Les données recueillies suggèrent un processus séquentiel qui implique l’acquisition des protéines UL36, UL37, ICP0, ICP8, UL41, UL42, US3 et possiblement ICP4 sur les capsides relâchées par le noyau. Troisièmement, pour obtenir davantage d’informations concernant la sortie de HSV 1 des compartiments membranaires de la cellule hôte, la sortie de HSV 1 du réseau trans golgien (TGN) a aussi été étudiée. L’étude a révélé l’implication de la protéine kinase D cellulaire (PKD) dans le transport post-TGN de HSV 1. PKD est connue pour réguler le transport de petits cargos et son implication dans le transport de HSV 1 met en lumière l’utilisation d’une machinerie commune pour le transport des petits et gros cargos en aval du TGN. Le TGN n’est donc pas seulement une station de triage, mais est aussi un point de rencontre pour différentes voies de transport intracellulaire. Tous ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du processus complexe de maturation du virus HSV 1, ce qui pourrait mener au développement de meilleurs traitements pour combattre le virus. Les données amassées concernant le virus HSV 1 pourraient aussi être appliquées à d’autres virus. En plus de leur pertinence dans le domaine de la virologie, les découvertes issues de ce projet apportent également de nouveaux détails au niveau du transport intracellulaire. / Herpes simplex virus type 1 (HSV 1) affects the majority of the world population. HSV 1 causes various deleterious symptoms with the most common being facial mucosal lesions usually named cold sores. The virus can also contribute to more serious effects such as corneal blindness and neurological problems. The virus is permanently residing in the host body. Despite the existence of several treatments against HSV 1 symptoms, no drug is able to eliminate the virus. In order to improve knowledge of the viral cycle of HSV 1, this project focuses on the transport of the virus in the host cell. During this project we collect data to detail the modus operandi used by HSV 1 to leave cellular compartments such as the nucleus and the TGN. The different experimentations achieved during this PhD allowed the publication of three articles, including one selected as worthy of note by the editors of “Journal of virology” and a fourth article that has been submitted. Firstly, an in vitro assay that reproduces the exit of HSV 1 virus from nuclei was established via the isolation of nuclei from infected cells. We found that, as in intact cells, capsids escaped the isolated nuclei in the in vitro assay by budding through the inner nuclear membrane, accumulated as enveloped capsids between the two nuclear membranes, and were released in cytoplasm exclusively as unenveloped capsids. These observations support the de-envelopment / re-envelopment model of transport. Secondly, to identify viral players implicated in the nuclear egress of HSV 1, viral proteins associated with nuclear released capsids were investigated. HSV 1 has a multilayered morphology that includes a DNA genome, a capsid, a tegument and an envelope. The tegument represents viral proteins added sequentially on the viral particle. The sequential order and intracellular compartments where the tegument is added are the subject of intense research. The in vitro assay was used to investigate this tegumentation process. The acquired data suggest a sequential process that involved the acquisition of viral proteins UL36, UL37, ICP0, ICP8, UL41, UL42, US3 and possibly ICP4 on capsids released by the nucleus. Thirdly, to obtain information regarding another process of egress of HSV 1 from a membranous cellular organelle, the egress of HSV 1 from the TGN was also studied. The study revealed the implication of the cellular protein kinase D (PKD) in HSV 1 post-TGN transport. The involvement of this kinase, known to regulate the transport of small cargos, highlights the post TGN trafficking of both small and large entities (such as HSV 1) by a common machinery, in sharp contrast to earlier steps of transport. This indicates that the TGN is not only a sorting station but also a meeting point where different intracellular routes can meet. All these outcomes contribute to a better understanding of the complex maturation process of HSV 1 that could lead to the development of better tools to fight the virus. Results acquired concerning HSV 1 could also be applied to other viruses. Besides their relevance in the virology field, findings provided by this project also supply new details about cellular biology concerning intracellular transport.

La technologie de reprogrammation de cellules somatiques en cellules souches pluripotentes induites (iPS) offre aujourd'hui l'opportunité de modéliser des maladies neurodégénératives et d'étudier des neurones de patients. Nous avons utilisé cette technologie pour générer deux modèles de maladies neurodégénératives : la mucopolysaccharidose de type IIIB (MPSIIIB) et la forme ALS2 de la sclérose latérale amyotrophique (SLA). Dans le modèle MPSIIIB, nous avons montré que les iPS et les neurones de patients présentaient des défauts caractéristiques de la pathologie telle que l'accumulation de vésicules de surcharge. Des altérations de l'appareil de Golgi dans ces cellules ont également été mises en évidence. Une analyse du transcriptome de précurseurs neuraux MPSIIIB a montré des modifications transcriptionnelles touchant notamment des gènes impliqués dans les interactions de la cellule avec la matrice extracellulaire. Ainsi, dans une seconde étude, des altérations de la migration et de l'orientation de cellules de souris mutantes MPSIIIB ou de patients ont été démontrées. Ces altérations pourraient être responsables des perturbations de la neurogénèse et de la neuritogénèse chez les enfants malades. Dans le modèle SLA/ALS2, nous avons montré que les neurones de patients présentaient des défauts incluant une diminution de la surface des endosomes et des anomalies de la croissance neuritique. Alors qu'il n'existait jusqu'alors aucun modèle cellulaire pertinent reproduisant cette maladie, ce modèle permettra à présent d'étudier les processus physiopathologiques impliqués dans la maladie. En conclusion, la génération de cellules iPS permet de modéliser des maladies neurodégénératives et d'étudier les processus physiopathologiques qui sont associés sur des neurones humains en culture. Ces modèles cellulaires pourraient permettre dans un avenir proche de réaliser des criblages de molécules à visée thérapeutique

Hereditary spastic paraplegia type 54 is a rare autosomal recessive neurological gait disorder characterized by paraplegia, muscle spasticity, and intellectual disability. This length-dependent distal axonopathy is caused by mutations in the DDHD2 gene, which encodes the intracellular phospholipase A1 DDHD2. Little is known about the molecular function of the DDHD2 protein, especially in the context of HSP54. Thus, there is a need to further investigate its molecular functions and investigate the impact of DDHD2 deficiency in disease-relevant cells. Here, lipidomic profiling of dermal fibroblasts derived from three unrelated patients has revealed 19 glycerophosphoethanolamine species at differential levels in patients relative to unaffected controls. However, patient cells appear to have an unaffected Golgi apparatus morphology and lipid droplet formation, despite DDHD2’s proposed roles in these processes. To study the gene function in neuronal cells, I transdifferentiated the fibroblasts into induced neuronal precursor cells and found all the patient cells arrested in the G0/G1 phase of upon conversion. Given that these cell lines are unsustainable, I generated a stable knockdown cell line in the highly proliferative HEK293A to study the molecular biology of DDHD2. The knockdown cells had a reduced growth, were delayed in the G2/M phase of the cell cycle, and became multinucleated. I then treated the cells with antineoplastic compounds paclitaxel and nocodazole and found more knockdown cells in G0/G1 than controls, suggesting the possible occurrence of mitotic slippage. Lastly, I report a novel subcellular localization for DDHD2 at the microtubule organization center.

Golgi apparatus protein 1 (GLG1) est une protéine transmembranaire de 160 kDa qui interagit avec l’apolipoprotéine B100 (apoB100), le récepteur des lipoprotéines de basse densité (LDLR) et la proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9). Cependant, son mécanisme d’action et sa régulation post-traductionnelle sont inconnus. Des études ont montré que GLG1 subit deux clivages résultant en fragments solubles secrétés de 150 kDa et 55 kDa. Dans cette étude, notre premier objectif est d’identifier les enzymes responsables de la protéolyse de GLG1 ainsi que l’effet du clivage sur sa fonction dans le métabolisme des lipides. De plus, les résultats de nos collaborateurs montrent que les souris adultes déficientes en GLG1 ont un plus grand nombre d’adipocytes mais de taille plus petite que les souris de type sauvage. Notre deuxième objectif est de mesurer la variation de l’expression ainsi qu’identifier l’effet de GLG1 lors de la différentiation des fibroblastes en adipocytes. Pour le premier objectif, les cellules HEK293T surexprimant GLG1 ont été soit transfectées avec des convertases de proprotéines (PCSK) soit incubées avec différents inhibiteurs d’enzymes. Les milieux et les lysats cellulaires ont été analysés par immunobuvardage à la Western. Il n’y a pas eu de nouveaux fragments générés en présence des PCSK. Cependant, en présence d’inhibiteurs des sérines protéases apparentées à la trypsine soit AEBSF et Gabexate mesylate, il y a eu une réduction de la formation du fragment de 55 kDa. Pour identifier la métalloprotéase responsable du clivage de l’ectodomaine générant le fragment de 150 kDa, GLG1 a été transfectée avec les Tissue Inhibitor of Metalloproteinase (TIMP 1-4). Nos résultats ont montré que TIMP3 empêche la relâche de l’ectodomaine de GLG1 dans le milieu de culture. Finalement, nos analyses de plasma de souris par immunobuvardage à la Western ont montré la présence des fragments de 150 kDa et 55 kDa de GLG1 in vivo. Pour le deuxième objectif de l’étude, les fibroblastes préadipocytaires de souris 3T3-L1 ont été différenciés en adipocytes. Des lysats cellulaires et l’isolation d’ARN ont été effectués aux jours 0, 2, 4, 6, 8 et 10 de la différenciation. Des immunobuvardages à la Western ainsi que des RT-qPCR ont été réalisés pour analyser l’expression de GLG1 au cours de la différenciation. Nos résultats ont montré que l’expression de GLG1 augmente durant la différenciation. Bref, nos résultats démontrent que des enzymes trypsin-like clivent GLG1 et génèrent le fragment de 55 kDa. L’inhibition du clivage de l’ectodomaine de GLG1 par TIMP3 suggère que les ADAMs sont impliquées dans la relâche du fragment de 150 kDa. De plus, nous avons montré que l’expression de GLG1 augmente au cours de la différenciation adipocytaire. / Golgi apparatus protein 1 (GLG1) is a 160 kDa transmembrane protein interacting with apolipoprotein B100 (apoB100), low-density lipoprotein receptor (LDLR) and proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9). However, the protein’s posttranslational regulation and mechanism of action are poorly understood. Previous studies showed that GLG1 is cleaved resulting in two fragments of 150 kDa and 55 kDa secreted at the cell surface and in the extracellular matrix. The first objective of this study is to identify enzymes responsible for GLG1 proteolysis and the effect of cleavage on its function in lipid metabolism. Furthermore, our collaborators showed that mice with GLG1 knockout have a higher number of adipocytes, but those cells are smaller in size compared to those in wild type mice. Therefore, the second objective of the study is to measure the variation of GLG1 expression during adipocytes differentiation and to identify the effects of GLG1 knockout on adipocytes differentiation. For the first objective, HEK293T cells overexpressing GLG1 were either transfected with basic amino acid-specific proprotein convertases (PCSK) or treated with enzyme inhibitors. Media and cell lysates were analyzed by Western blot. No new fragments were detected in media of PCSK-transfected cells. Cell treatment with trypsin-like serine proteases inhibitors, AEBSF and Gabexate mesylate, reduced the secretion of the 55 kDa fragment. To identify the metalloproteinase responsible for GLG1 shedding, GLG1 was co-transfected with Tissue Inhibitors of Metalloproteinase (TIMP1-4). Our results showed that TIMP3 inhibits shedding of the 150 kDa fragment. Finally, wild-type mouse plasma was analyzed by Western blot and showed the presence of both fragments in vivo. For the second objective of the study, fibroblasts 3T3-L1 cells were differentiated into adipocytes and GLG1 mRNA and protein expression were measured at day 0, 2, 4, 6, 8 and 10 by qPCR and Western Blot. Our results showed that GLG1 expression increased during differentiation and a peak was observed at day 4. To conclude, in the first objective of our study, our results showed that trypsin-like enzymes cleave GLG1 and produce a 55 kDa fragment. Shedding of GLG1 is inhibited by TIMP3, which suggests that ADAM10 or ADAM17 are involved in the release of the 150 kDa fragment. In addition, both 55 kDa and 150 kDa fragments were found in normal mouse plasma supporting the relevance of our findings in vivo. In the second objective of our study, GLG1 expression increased during adipocyte differentiation suggesting a role in adipose tissue development and/or morphology. In conclusion, our study will help elucidate how proteolysis of GLG1 impacts its role in the regulation of apoB and PCSK9 secretion and lipid metabolism and how can GLG1 expression affect adipocytes differentiation.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第19174号 / 医博第4016号 / 新制||医||1010(附属図書館) / 32166 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 髙橋 淳, 教授 村井 俊哉, 教授 渡邉 大 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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