Différentes études précédentes ont démontré que IL-1β et PKA peuvent réduire la transmission synaptique inhibitrice dans la LAMINA II de la moelle épinière, en contribuent de cette manière au développement de douleur chronique de tipe inflammatoire. Au niveau des sites post-synaptiques, les changements dans la transmission synaptique (par exemple suivant le relâchement de IL-1β ou après l’activation de PKA), reflètent donc des changements dans les propriétés et/ou dans le nombre des molécules présentes au niveau de la synapse. Au cours de mon doctorat, j’ai pu profiter des techniques basés sur l’imagerie des molécules uniques afin d’étudier les effets de PKA et IL-1β sur la dynamiques et le nombre absolu de GlyR dans les synapses de la moelle épinière. Mes résultats ont montré que PKA et Il-1β peuvent déplacer les GlyR des sites inhibitoires post-synaptiques ciblent différentes sous-unités α du récepteur de la glycine. Comme les sous-unités GlyRα ne se lient pas directement à la géphyrine, ces effets sont vraisemblablement le résultat d’un changement de conformation du GlyR dépendant de la sous-unité. Pendant mon projet, j’ai utilisé la technique de microscopie de super-résolution PALM pour développer une méthode pour déterminer la stœchiométrie des GlyR et le nombre absolu de récepteurs et des molécules d’échafaudage au niveau des synapse de la moelle épinière. Mes résultats décrivent que les GlyR se composent de 3 sous-unités α et de 2 sous-unités β, et proposent qu’une synapse de la moelle épinière contient en moyenne 80 GlyR et 250 molécules de géphyrine. Ces résultats sont essentiels pour mettre en relation l’ampleur des mécanismes de régulation et de plasticité agissant sur la transmission synaptique, avec les changements en nombre de molécules présentes dans les synapses de la moelle épinière. Sur la base de mes découvertes on pourra maintenant étudier les mécanismes structuraux impliqués dans la régulation de la fonction et la dynamique des GlyR dépendantes des sous-unités α que j’ai démontré. / IL-1β and PKA impair glycine receptor-mediated synaptic transmission in the lamina II of the spinal cord, contributing to the development of inflammatory types of chronic pain. At post-synaptic sites, the strength of synaptic transmission depends on the biophysical properties and on the absolute number of receptors expressed. Consequently, changes in synaptic transmission (i.e. following the release of IL-1β or the activation of PKA), reflect changes in the properties and/or number of molecules present at the synapse. During my PhD I have taken advantage of single-molecule based imaging techniques to study the effects of IL-1β and PKA on the dynamics and absolute numbers of GlyRs at spinal cord synapses.My results show for the first time that both Il-1β and PKA displace GlyRs from inhibitory post-synaptic sites, targeting different α-subunit of GlyRs. Specifically, IL-1β reduces GlyR α-containing receptors at spinal cord synapse, whereas PKA affects GlyR α3L subunit. Given that the GlyR α subunits do not bind to the gephyrin scaffold, these effects likely reflect an α-subunit dependent change in GlyR conformation that decreases the affinity of the GlyR subunits for gephryrin. Glycine receptors are composed of α- and β- subunits that assemble into heteropentameric complexes with an unclear stoichiometry. Using super resolution PALM microscopy I have developed a single-molecule counting approach to determine the stoichiometry of GlyRs and the absolute number of receptor and scaffold molecules at spinal cord synapses. According to my results GlyRs is composed by 3 α and 2 β-subunits, and an average spinal cord synapse contains around 80 GlyRs and 250 scaffold molecules. These data are fundamental to relate the magnitude of regulatory and plasticity mechanisms acting on glycinergic transmission, with quantitative changes in molecule numbers at spinal cord synapses. My research has shown how absolute quantitative approaches can help achieve a more detailed insight into the organization of complex molecular assemblies and their dynamic regulation.

Formation of lipid-laden macrophage foam cells and inflammation are the central components in the initiation and progression of atherosclerosis. ABCA1 is well established as an anti-atherogenic factor that facilitates cellular cholesterol and phospholipid efflux, promotes reverse cholesterol transport, and suppresses pro-inflammatory cytokine secretion. Through these functions, ABCA1 is capable of reducing the lipid burden in atherosclerotic plaque. PKA signaling is an integral factor in promoting many anti-atherogenic functions of ABCA1; however, mechanistic aspects of PKA signaling associated with ABCA1 remain poorly defined. Thus, the first part of this study investigates the involvement of spatially regulated PKA signaling in ABCA1 activities through the use of st-Ht31, a PKA de-anchoring peptide. It appears that de-anchoring PKA robustly increases ABCA1-mediated microparticle release, one of the cholesterol efflux pathways of ABCA1, and reverses macrophage foam cell formation. These results highlight the significance of subcellular compartmentalization of PKA signaling in ABCA1 functions and present PKA de-anchoring as a potential therapeutic strategy for atherosclerotic lesion regression. The second part of this study provides evidence that ABCA1 activates PKA and promotes the secretion of anti-inflammatory IL-10, a cytokine crucial for inflammation resolution. Furthermore, we provide evidence that this elevated PKA activity is the underlying mechanism in which macrophage ABCA1 promotes M2-like inflammatory response. Our results also suggest that ABCA1 activates PKA by regulating cholesterol, which poises macrophages towards an anti-inflammatory or M2-activated phenotype. Collectively, we demonstrate that PKA signaling plays a crucial multifactorial role in anti-atherogenic functions of ABCA1.

Le transfert d'un analogue de lysine au travers de membranes de phospholipides a été étudié. Des simulations de dynamique moléculaire et des calculs d'énergie libre ont été conduits afin d'étudier l'évolution du pKa de cette molécule en fonction de sa position à l'intérieur de la membrane. Des grandeurs cinétiques telles que la perméabilité et les constantes de réaction associées au transfert ont montré que ce processus est susceptible de ce produire sur des échelles de temps appartenant à la ms. La comparaison de ces grandeurs dans des membranes constituées d'étherlipides et de lipides avec des chaînes branchées a été faite par la suite. Les études ont montré une diminution de la perméabilité et une augmentation du temps de passage dans des membranes faites d'étherlipides. L'ajout de méthyles le long des chaînes carbonées augmentent également le temps de passage et la perméabilité mais de manière moins importante. Cependant, le pKa indique que la forme chargée ne peut être retrouvée aussi profondément que dans une membrane constituée de chaînes linéaires. Finalement, le transfert du peptide a été étudié en estimant des surfaces d'énergie libre multidimensionnelles. La coordination de l'amine avec les molécules d'eau dans sa première sphère d'hydratation et la projection de la distance par rapport au centre de la membrane a été étudié. De nouvelles possibilités pour le changement d'état de protonation du peptide sont apparues. Contrairement au cas 1D, la forme neutre peut apparaître déjà dans la région des têtes polaires pour une certaine valeur de la coordination. Ces valeurs, inférieures à celles du milieux aqueux, peuvent être atteintes à l'interface d'après les surfaces déterminées / The transfer of a lysine amino acid analog across phospholipid membrane models was investigated using molecular dynamics simulations. The evolution of the protonation state of this small peptide as a function of its position inside the membrane was studied by determining the local pKa by means of free energy calculations. Permeability and mean first time passage were evaluated and showed that the transferoccurs on the sub-ms time scale. Comparative studies were conducted to evaluate the changes in the local pKa arising from the differences in the phospholipid chemical structure. We compared hence the effect of the ether vs ester linkage of the lipid head group as well as the linear vs branched lipid tails. The study reveals that protonated lysine residues can be buried further inside ether lipid membrane than ester lipid membrane while branched lipids are found to stabilize less the charged form compared to their un-branched lipid chain counterparts. As a result, the permeability and the transfer rate across a membrane constituted by ether lipid was found to slower than in membranes constituted by esterified lipids. Finally, multidimensionnal free-energy surfaces for the transfer of the peptide in its both states, charged and neutral, were estimated. The coordination of the amine with the water molecules in its first hydration shell with the projection of the distance from the center of the membrane were used as reaction coordinates. New possibilities for the deprotonation reaction were found, the latter appearing closer to the headgroup region. This finding suggests that if the lysine analog were less coordinated by water molecule a deprotonation is possible in the headgroup region

La sécrétion d'insuline est un phénomène physiologique majeur déclenché par l'entrée du glucose dans la cellule β-pancréatique. Elle est naturellement modulée par de nombreux facteurs comme des métabolites, des neurotransmetteurs et des hormones. Parmi les modulateurs hormonaux, les incrétines, dont le chef de file est le Glucagon Like Peptide (GLP-1), sont des amplificateurs gluco-dépendants de la sécrétion d'insuline. Ils activent la voie AMPc-PKA et leurs effets sur la glycémie sont à la base de stratégies pharmacologiques antidiabétiques. Cependant, si les actions physiologiques des incrétines sont bien connues, la compréhension des mécanismes moléculaires mis en jeu demeure incomplète. Pour ce travail, nous sommes partis de l'hypothèse suivant laquelle la PKA pourrait potentialiser la sécrétion d'insuline, par phosphorylation de cibles moléculaires spécifiques, grâce à son adressage par les A Kinase Anchoring Proteins (AKAPs) au niveau de la machinerie de l'exocytose. Cette étude s'appuie sur des techniques moléculaires d'invalidation génique (RNAi), de peptides inhibiteurs et de fractionnement subcellulaire, ainsi que sur des analyses en microscopie électronique et confocale. Durant ce travail, nous avons mis en évidence la distribution de la sous-unité RIIα de la PKA à la surface des granules d'insuline matures. Nous avons également montré que la suppression de l'expression de la sous-unité RIIα de la PKA, comme la dissociation des complexes de type PKARII-AKAPs provoquent une réduction importante de l'effet amplificateur du GLP-1 sur la sécrétion d'insuline. Ainsi, cette étude nous a permis d'identifier la sous-unité RIIα de la PKA comme l'isoforme indispensable à la potentialisation AMPc-dépendante de la sécrétion d'insuline induite par le GLP-1, et surtout de placer le granule d'insuline mature au centre des mécanismes liés à l'effet « incrétine ». Ce travail constitue une première étape vers l'identification des différents partenaires du complexe protéique impliqué dans la potentialisation de l'exocytose d'insuline par la voie AMPc-PKA. / Insulin secretion is a major physiological function triggered in the body upon glucose entry into pancreatic β cells. This process is naturally subject to modulation by numerous metabolites, neurotransmitters or hormones. Among the modulatory hormones, incretins, mainly Glucagon Like Peptide (GLP1), act on β cells as physiological amplifiers of glucose-dependent insulin secretion. Incretins are known to recruit the cAMP signaling transduction pathway and their effects on glucose homeostasis represent a current basis for promising anti-diabetic approaches. However, while physiological actions of incretins are well known, the molecular mechanisms underlying these actions are not fully understood.In this thesis, we based our work on the hypothesis that the PKA (cAMP-dependent protein kinase) might potentiate glucose-induced insulin secretion via direct phosphorylation of PKA targets at the level of the exocytosis components, through specific anchoring of the kinase to this microdomain by A-Kinase Anchoring Proteins (AKAPs).The present work involving specific molecular approaches, such as siRNA, cell-permeable peptide competitors, subcellular fractionations as well as confocal and ultrastructural analysis of β cells, culminated to provide compelling evidence that the RIIα PKA isotype is physically associated to mature insulin granules. We demonstrate that in pancreatic β cells, either suppression of RIIαPKA expression or endogenous disruption of RIIαPKA from AKAPs results in almost complete loss of GLP1-induced amplification of insulin secretion.In conclusion, the present work allowed the identification of RIIα as a crucial effector of the cAMP/PKA axis for the amplification by incretins of insulin secretion. This finding represents a first and important step towards the identification of the molecular partners involved in the GLP1-induced PKA-dependent potentiation of insulin exocytosis.

Content: The removal of hair from a hide or skin by dissolving it with a mixture of lime and sulfide is a fundamentally understood feature of leather technology. Or is it? For a long time, it has been accepted within the leather literature that, in water, sulfide may be present as either hydrogen sulfide (H2S), hydrosulfide (HS-) or sulfide (S2-), depending on the pH. pH < 6 6 < pH < 12 pH > 12 H2S(aq) ⇌ HS-(aq) ⇌ S2-(aq) The generally accepted mechanism of hair burning is sulfide attack at the cystine disulfide linkages in keratin. Also, it is believed that the unhairing reaction only proceeds at an appreciable rate in the presence of the dianionic S2- species, because that fits with the technological observation that unhairing reactions only proceed at pH greater than 12. However, recent publications have provided substantive proof that the S2- species does not exist in aqueous media at any pH: researchers were unable to observe any evidence of the S2- species in a solution of Na2S dissolved in hyper-concentrated NaOH and CsOH using Raman spectroscopy. The assigned second pKa for removal of the second proton has now been estimated to be 19, making the concentration of S2-(see below) vanishingly small. HS- ⇋ S2- + H+ There is a clear contradiction between the currently accepted mechanism for sulfide unhairing with the evidenced speciation of sulfide species in aqueous environment. Here the implications for this important process are discussed and possible alternative mechanisms postulated that fit with the new knowledge. Take-Away: It is a truism that we must understand the mechanistic principles of a process in order to control it. Here, we have a big change in thinking for ‘sulfide unhairing’, so it is vital that we understand the implications for leather science and leather technology of that change.

Inhibitory factor 1 (IF1) is one of the major regulators of mitochondrial ATP synthase activity, a key enzyme of energy metabolism. Its inhibitory effects are known in conditions such as hypoxia or starvation, but the hypothesis that IF1 inhibits ATP synthase activity even under physiological conditions is still not entirely accepted. Disorders of ATP synthase regulation can be fatal to the cell and have been described, for example, in carcinogenesis and ischemia. It has also been found that silencing of the IF1 gene in pancreatic β-cells increases insulin secretion, and thus, IF1 may be important in the pathogenesis of type 2 diabetes. The goal of this work is to summarize the current knowledge about the IF1 protein and to obtain new results that will help elucidate the mechanism by which this protein regulates mitochondrial ATP synthase. Specifically, this work deals with the ratio of IF1 protein to ATP synthase in pancreatic β-cells, depending on different culture conditions. It further investigates the occurrence of post-translational modifications of the IF1 protein in pancreatic β-cells (INS- 1E model cells), which may play a role in the regulation of IF1 activity. It also deals with the cellular ATP/ADP ratio, which is one of the key factors for insulin secretion by pancreatic β-cells. An...

La déamidation est la modification post-traductionnelle de l'asparagine (Asn) et de la glutamine (Glu). Elle est communèment observée dans les peptides et les protéines. Il a été démontré que la déamidation limite la durée de vie de ces macromolécules. Dans ce travail, la déamidation de l'asparagine dans des petits peptides et dans l'enzyme triosephosphate isomérase a été modélisée. La déamidation dans la triosephosphate isomérase de mammifères a été observée sur deux sites distincts: Asn15 et Asn71. Asn71 a une vitesse de déamidation plus élevée que Asn15 et moins grande que pour un petit peptide. Il a été suggéré que la déamidation de Asn15 se produit sous l'influence de la déamidation de Asn71. Pour expliquer ces résultats expérimentaux, des simulations de dynamiques moléculaires classiques à l'échelle de la microseconde et des calculs d'énergie libre, de type umbrella sampling, à l'aide de méthodes combinées mécanique quantique/mécanique moléculaire ont été réalisés. Nous montrons que la déamidation séquentielle dans la triosephosphate isomérase est due à la fois à des effets locaux et globaux. Ces résultats apporte une nouvelle perspective sur l'impact de l'ordre structurel sur la vitesse de déamidation Nous avons également déterminé la voie la plus plausible de cette reaction ainsi que l'influence de la variation du pKa, dans la chaîne principale, de la partie amide du résidu adjacent de l'asparagine sur la vitesse de déamidation. En regard de l'importance des variations de pKa dans l'environnement protéique, nous avons élaboré un protocole informatique permettant d'évaluer de manière rapide et précise des pKa . Ce protocole a été appliqué à des petites molécules organiques et nous avons montré qu'il était également applicable à des études relatives à la prédiction de pKa dans les protéines / Deamidation is the posttranslational modification of asparagine (Asn) and glutamine (Glu) residues, which is observed in several proteins and peptides. It has been shown that deamidation limits the lifetime of these macromolecules. In this work, deamidation of asparagine in small peptides and in the enzyme triosephosphate isomerase has been modeled. Deamidation in mammalian triosephosphate isomerase has been observed at two distinct deamidation sites: Asn15 and Asn71. Asn71 deamidates faster than Asn15 and slower than a small peptide. It has been suggested that, deamidation at Asn15 occurs with the influence of deamidated Asn71. In order to explain these experimental findings, microsecond long classical molecular dynamics simulations and free energy calculations using quantum mechanics/molecular mechanics tools combined with umbrella sampling technique have been performed. The sequential deamidation in triosephosphate isomerase has been shown to be related with both global and local effects. These results bring a new perspective to the impact of the high-order structure on deamidation rate. The most plausible route of this reaction was also determined. The pKa shift of backbone amide of the residue adjacent to asparagine has been found to be one of the most crucial factor determining the rate of deamidation. Considering the importance of pKa shifts in protein environment, a computational protocol was suggested in order to obtain accurate and fast pKa predictions. This protocol was applied to small organic molecules, and it has been shown to be applicable to studies concerning aminoacid pKa predictions

Genetic studies have sought to identify subtypes or endophenotypes of schizophrenia in an effort to improve the reliability of findings. A number of chromosomal regions or genes have now been shown to have had replicated linkage to schizophrenia susceptibility. Molecules involved in neurodevelopment or neurotransmitter function are coded by many of the genes that have been implicated in schizophrenia. Studies of neurotransmitter function have identified, among others, a possible role for GABA, glutamate and dopamine in animal models of schizophrenia. GABA neurons that co-express the calcium binding protein parvalbumin have been implicated as have glutamatergic metabotropic receptors and dopamine D3 receptors. Stress influences glutamate and dopamine providing another environmental factor that may interact with the influence of genes on neurotransmitter function. Neurotransmitter interactions include influences on signaling molecules and these too have been implicated in forms of learning thought to be affected in schizophrenia. Results continue to unravel the interplay of genes and environment in the etiology of schizophrenia and other psychotic disorders.

This dissertation is author version of following the journal article. Rei Mizuno, Yuji Kamioka, Kenji Kabashima, Masamichi Imajo, Kenta Sumiyama, Eiji Nakasho, Takeshi Ito, Yoko Hamazaki, Yoshihisa Okuchi, Yoshiharu Sakai, Etsuko Kiyokawa, and Michiyuki Matsuda. "In vivo imaging reveals PKA regulation of ERK activity during neutrophil recruitment to inflamed intestines" J Exp Med 2014 211:1123-1136. Published May 19, 2014, doi:10.1084/jem.20132112 / 京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第18542号 / 医博第3935号 / 新制||医||1006(附属図書館) / 31442 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 岩井 一宏, 教授 千葉 勉, 教授 長澤 丘司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第13113号 / 論医博第2131号 / 新制||医||1022(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 妻木 範行, 教授 安達 泰治, 教授 開 祐司 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM