Proteins are known to form functional clusters in plasma membranes. In order to identify individual proteins within clusters we developed a method to visualize by atomic force microscopy (AFM) the cytoplasmic surface of native plasma membrane, excised from Xenopus laevis oocyte and spread on poly-L-lysine coated glass. After removal of the vitelline membrane intact oocytes were brought in contact with coated glass and then rolled off. Inside-out oriented plasma membrane patches left at the glass surface were first identified with the lipid fluorescent marker FM1-43 and then scanned by AFM. Membrane patches exhibiting the typical phospholipid bilayer height of 5 nm showed multiple proteins, protruding from the inner surface of the membrane, with heights of 5 to 20 nm. Modelling plasma membrane proteins as spherical structures embedded in the lipid bilayer and protruding into the cytoplasm allowed an estimation of the respective molecular masses. Proteins ranged from 35 to 2,000 kDa with a peak value of 280 kDa. The most frequently found membrane protein structure (40/μm2) had a total height of 10 nm and an estimated molecular mass of 280 kDa. Membrane proteins were found firmly attached to the poly-L-lysine coated glass surface while the lipid bilayer was found highly mobile. We detected protein structures with distinguishable subunits of still unknown identity. Since X. laevis oocyte is a generally accepted expression system for foreign proteins, this method could turn out to be useful to structurally identify specific proteins in their native environment at the molecular level. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die Metaphasenspindel ist eine selbstorganisierende molekulare Maschine, die die entscheidende Funktion erfüllt, das Genom während der Zellteilung gleichmäßig zu trennen. Spindellänge und -form sind emergente Eigenschaften, die durch komplexe Wechselwirkungsnetzwerke zwischen Molekülen hervorgerufen werden. Obwohl erhebliche Fortschritte beim Verständnis der einzelnen molekularen Akteure erzielt wurden, die ihre Länge und Form beeinflussen, haben wir erst kürzlich damit begonnen, die Zusammenhänge zwischen Spindelmorphologie, Dynamik und Materialeigenschaften zu untersuchen. In dieser Arbeit untersuchte ich zunächst quantitativ die Rolle zweier molekularer Kraftgeneratoren - Kinesin-5 und Dynein - bei der Regulierung der Spindelform von Xenopus-Eiextrakt. Eine Störung ihrer Aktivität veränderte die Spindelmorphologie, ohne die Gesamtmasse der Mikrotubuli zu beeinflussen. Um die Spindelform physikalisch zu stören, wurde ein Optical Stretcher (OS) -Aufbau entwickelt. Obwohl das OS Vesikel in Extrakten verformen könnte, konnte keine Kraft auf Spindeln ausgeübt werden. Die Untersuchung des Brechungsindex der Struktur mittels optischer Beugungstomographie (ODT) ergab, dass es keinen Unterschied zwischen Spindel und Zytoplasma gab. Korrelative Fluoreszenz- und ODT-Bildgebung zeigten, wie sich die Materialeigenschaften innerhalb verschiedener Biomoleküle räumlich unterschieden. Die Gesamttrockenmasse der Spindel skalierte mit der Länge, während die Gesamtdichte konstant blieb. Interessanterweise waren die Spindeln in HeLa-Zellen dichter als das Zytoplasma. Schließlich deckte eine störende Mikrotubulusdichte auf, wie die Gesamttubulinkonzentration die Spindelgröße, die Gesamtmasse und die Materialeigenschaften regulierte. Insgesamt bietet diese Studie eine grundlegende Charakterisierung der physikalischen Eigenschaften der Spindel und hilft dabei, Zusammenhänge zwischen der Biochemie und der Biophysik einer aktiven Form weicher Materie zu beleuchten. / The metaphase spindle is a self-organising molecular machine that performs the critical function of segregating the genome equally during cell division. Spindle length and shape are emergent properties brought about by complex networks of interactions between molecules. Although significant progress has been made in understanding the individual molecular players influencing its length and shape, we have only recently started exploring the links between spindle morphology, dynamics, and material properties. A thorough analysis of spindle material properties is essential if we are to comprehend how such a dynamic structure responds to forces, and maintains its steady-state length and shape. In this work, I first quantitatively investigated the role of two molecular force generators– Kinesin-5 and Dynein in regulating Xenopus egg extract spindle shape. Perturbing their activity altered spindle morphology without impacting total microtubule mass. To physically perturb spindle shape, an Optical Stretcher (OS) setup was developed. Although the OS could deform vesicles in extracts, force could not be exerted on spindles. Investigating the structure’s refractive index using Optical Diffraction Tomography (ODT) revealed that there was no difference between the spindle and cytoplasm. Correlative fluorescence and ODT imaging revealed how material properties varied spatially within different biomolecules. Additionally, spindle mass density and the microtubule density were correlated. The total dry mass of the spindle scaled with length while overall density remained constant. Interestingly, spindles in HeLa cells were denser than the cytoplasm. Finally, perturbing microtubule density uncovered how total tubulin concentration regulated spindle size, overall mass and material properties. Overall, this study provides a fundamental characterisation of the spindle’s physical properties and helps illuminate links between the biochemistry and biophysics of an active form of soft matter.

Multipotent haematopoietic stem cells (HSCs) originate in the dorsal aorta (DA) during vertebrate embryogenesis, and after migrating to a permanent niche, give rise to a continuous supply of mature blood cells of all lineages throughout adult life. Previous cell tracing experiments have shown that the cells of the DA migrate here from an early collection of haemangioblasts (bipotential precursors of blood and endothelial cells) which reside in the dorsolateral plate (DLP) mesoderm. Development of HSCs is tightly regulated by a number of key signalling pathways in both the DLP and the DA. In particular, notch signalling is considered an important factor in vascular, arterial and HSC development. Here, the relatively slow development and the spatial separation of definitive haematopoiesis from primitive haematopoiesis in Xenopus laevis has been exploited to reveal the first defect of reduced notch signalling in the Xenopus DA. Two notch inputs to HSC programming have been identified in Xenopus: notch4 and its target genes, esr7 and esr10, are expressed from stage 31, immediately after migrating haemangioblast cells reach the midline of the embryo to form the DA, whilst notch1 is expressed slightly later, from stage 34, and controls expression of two further notch target genes, esr1 and hesr1. Using both morpholino knockdown of these six genes, and chemical inhibition of notch signalling using a specific γ-secretase inhibitor, notch signalling has been demonstrated to be essential for HSC programming but dispensable for earlier haemangioblast and arterial programming. Furthermore, esr1, downstream of both notch1 and notch4, is shown to be responsible for repression of endothelial genes in the DA. Taken together, this demonstrates that a cascade of notch and notch effector genes are essential for the programming of Xenopus HSCs.

Le laboratoire d’Embryologie Moléculaire étudie les mécanismes moléculaires contrôlant le développement embryonnaire et utilise comme système expérimental l’embryon de xénope. En collaboration le laboratoire du Dr Daniel Christophe, nous avons abordé l’étude du gène XHRT1 chez le xénope. Ce gène est l’orthologue du gène HRT-1/Hey1/Hesr-1/HERP2/CHF2 de souris. Celui-ci, avec deux autres protéines apparentées (HRT2 et HRT3) forme une sous-famille de facteurs de transcription de type bHLH-O qui se différencient des autres facteurs bHLH-O par l’absence d’un motif carboxy-terminal de séquence « WRPW » et par la présence d’un nouveau motif carboxy-terminal conservé de séquence « TEI/VGAF ». Le rôle de ces facteurs HRT dans le développement est encore actuellement mal connu. Dans un premier temps, nous avons déterminé le profil d’expression de XHRT1 au cours de l’embryogenèse. Nous avons observé que ce gène est fortement exprimé au stade neurula dans le plancher du tube neural, et que plus tardivement celui-ci est exprimé dans différentes régions du système nerveux, dans les somites et le dans le pronéphros. Comme attendu pour un membre de la famille des facteurs bHLH-O, nous avons également observé que l’expression précoce de HRT1 au niveau du plancher du tube neural est bien régulée par la voie de signalisation Notch. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au rôle et au mode d’action du facteur XHRT1 dans le développement du plancher du tube neural. Nous avons pu montrer que XHRT1 agit comme répresseur transcriptionnel et que cette répression nécessite la présence du domaine bHLH et de séquences en aval de celui-ci. Nous avons montré en embryon que la surexpression précoce de XHRT1 induit un blocage de l’expression des marqueurs du mésoderme et une augmentation de marqueur du plancher du tube neural, ce qui est en accord avec le modèle selon lequel la voie de signalisation Notch interviendrait dans le choix de la destinée des cellules de la région médiane en inhibant la différenciation des cellules en notocorde et en favorisant leur différenciation en cellules du plancher du tube neural. XHRT1 n’étant cependant activé qu’à partir du stade neurula, nous avons conclu que les effets observés n’étaient probablement pas dus à XHRT1 mais à un autre facteur bHLH-O apparenté exprimé plus précocement dans les cellules de la ligne mediane de l’embryon. Afin d’éviter ces effets non spécifiques précoces, nous avons utilisé un vecteur d’expression de XHRT1 permettant un contrôle temporel de l’activité de la protéine. Nous avons ainsi montré que l’activation de XHRT1 au stade neurula dans l’ectoderme inhibe la différenciation des cellules précurseurs neurales en neurones et qu’il pourrait ainsi jouer un rôle important dans le développement du plancher du tube neural. Nos résultats ont montré également que XHRT1 est capable d’homo- et hétérodimériser in vivo avec les facteurs Xhairy1 et Xhairy2b coexprimés avec XHRT1 dans le plancher du tube neural. Enfin, nous avons montré que les propriétés de dimérisation de XHRT1 sont dépendantes non seulement du domaine bHLH, mais aussi du domaine Orange et des séquences situées en aval, séquences jouant un rôle important dans le choix du partenaire. Des travaux récents ayant montré que la voie de signalisation Notch joue un rôle important dans le développement du rein, nous avons voulu déterminer l’importance de XHRT1 dans le développement du pronéphros. Nos résultats ont montré que XHRT1 ainsi que d’autres facteurs bHLH-O sont exprimés de manière dynamique, d’abord dans le glomus puis dans la partie dorso-antérieure de l’ébauche du pronéphros à l’origine des tubules proximaux, et que leur expression est régulée positivement par Notch. La surexpression de XHRT1 à la fin de la neurulation inhibe la formation du canal et du tubule distal, tandis que l’inhibition de la traduction de la protéine entraîne une réduction de l’expression de marqueurs spécifiques des tubules proximaux et du glomus. Ces résultats démontrent que XHRT1 joue un rôle important comme médiateur de la voie de signalisation Notch dans le pronéphros.

Amphibian populations are declining world-wide and one of the suggested reasons is environmental pollutants. Studies of long-term effects on the reproductive system in frogs following larval exposure to environmental pollutants are scarce. It is therefore important to develop methods to study developmental reproductive toxicity in amphibians. In this thesis the usefulness of Xenopus tropicalis (the West African clawed frog) as a model species for a test system was investigated. Effects on the reproductive system after larval exposure to the pharmaceuticals ethynylestradiol (EE2) and clotrimazole were evaluated. The susceptibility to EE2 exposure was compared between the model species and a wild species, the European common frog (Rana temporaria). Larval exposure to EE2 caused female-biased sex ratios in both examined frog species, indicating male-to-female sex-reversal. In adult Xenopus tropicalis, male frogs that were not sex-reversed had reduced fertility and decreased amount of mature spermatozoa in the seminiferous tubules. The proportion of frogs with ovaries but lacking oviducts increased with increasing EE2-concentrations. A female frog without oviducts is sterile. The development of ovaries in sex-reversed male frogs was implied to be similar to control females. The combination of a reduced number of males, due to sex-reversal, and impaired fertility could have severe effects on frog populations. Larval exposure to clotrimazole modulated aromatase activity in gonads and brain in Xenopus tropicalis. Brain aromatase activity was decreased at the time for gonadal differentiation and gonadal aromatase activity was increased at metamorphosis. The findings in this thesis indicate that reproduction in wild frogs might be impaired by estrogenic compounds in the environment. The results combined with the short generation time supports the use of Xenopus tropicalis as a model species when evaluating long term effects of endocrine disruptors on the reproductive system in amphibians.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Testicular stem cells (TSCs) are relatively accessible potential source of pluripotent cells, which are particularly important for their application in regenerative medicine. Xenopus tropicalis is a useful model organism to study the migration and differentiation potential of stem cells. This amphibian is characteristic by outer fecundation and embryonic development of a great amount of embryos after fertilization. Oocytes and embryos are large enough (about 1 mm) to be suitable for micromanipulation micromanipulations. Laboratory of Developmental Biology, Faculty of Science, Charles University in Prague succeeded in the establishment of a mixed cell culture of TSCs growing on feeder layer of pre- Sertoli cells. This culture was derived from the testes of juvenile Xenopus tropicalis male. In the study of their differentiation potential it was found, that leukemia inhibitory factor (LIF) is the decisive factor allowing rapid proliferation of stem cells and their forming into characteristic colonies. This protein is produced by both types of cells which are present in the culture. The mouse LIF has the same positive effect on the proliferative potential of stem cells, which points at the evolutionary conservation of metabolic pathways associated with the maintenance of the stemness. RT-PCR analysis...

Pericentrin is a molecular scaffold protein. It anchors protein kinases, (PKB, (Purohit, personal communication), PKC, (Chen et al., 2004), PKA Diviani et al., 2000), the γ tubulin ring complex, (γ TuRC) (Zimmerman et al., 2004), and possibly dynein (Purohit et al., 1999) to the spindle pole. The γ TuRC is a ~ 2 MDa complex which binds the minus ends of microtubules and nucleates microtubules in vitro, (Zheng et al., 1995). Prior to this work, nothing was known about the association of the γTuRC with pericentrin. Herein I report the biochemical identification of a large protein complex in Xenopus extracts containing pericentrin, the γ TuRC, and other as yet unidentified proteins. Immunodepletion of γ tubulin results in co-depletion of pericentrin, indicating that virtually all the pericentrin in a Xenopus extract is associated with γ tubulin. However, pericentrin is not a member of the, γ TuRC, since isolated γ TuRCs do not contain pericentrin. The association of pericentrin with the γ TuRC is readily disrupted, resulting in two separable complexes, a small pericentrin containing complex of approximately 740 KDa and the the γ TuRC, 1.9 MDa in Xenopus. Co overexpression/ coimmunoprecipitation and yeast two hybrid studies demonstrate that pericentrin binds the γTuRC through interactions with both GCP2 and GCP3. When added to Xenopus mitotic extracts, the GCP2/3 binding domain uncoupled γ TuRCs from centrosomes, inhibited microtubule aster assembly and induced rapid disassembly of pre-assembled asters. All phenotypes were significantly reduced in a pericentrin mutant with diminished GCP2/3 binding, and were specific for mitotic centro somal asters as I observed little effect on interphase asters or on asters assembled by the Ran-mediated centrosome-independent pathway. Overexpression of the GCP2/3 binding domain of pericentrin in somatic cells perturbed mitotic astral microtubules and spindle bipolarity. Likewise pericentrin silencing by small interfering RNAs in somatic cells disrupted γ tubulin localization and spindle organization in mitosis but had no effect on γ tubulin localization or microtubule organization in interphase cells. Pericentrin silencing or overexpression induced G2/antephase arrest followed by apoptosis in many but not all cell types. I conclude that pericentrin anchoring of γ tubulin complexes at centrosomes in mitotic cells is required for proper spindle organization and that loss of this anchoring mechanism elicits a checkpoint response that prevents mitotic entry and triggers apoptotic cell death. Additionally, I provide functional and in vitro evidence to suggest that the larger pericentrin isoform (pericentrin B/ Kendrin) is not functionally homologous to pericentrin/pericentrin A in regard to it's interaction with the γ TuRC.

La formation des trois feuillets embryonnaires primordiaux et leur régionalisation selon les axes embryonnaires sont des étapes cruciales au cours du développement précoce. Dans ce contexte, nous avons montré que XDSCR6, un inducteur du mésoderme et des axes embryonnaires qui présente des propriétés dorsalisantes, interagit physiquement et fonctionnellement avec le facteur de transcription XSTAT3. Au cours des étapes précoces du développement, XSTAT3 est active pendant la gastrulation et l'activation anormale de cette protéine dans la région dorsale induit la ventralisation des tissus embryonnaires. Par ailleurs, nous avons montré que XDSCR6 et XSTAT3 présentent des rôles antagonistes in vivo au cours de la mise en place des axes embryonnaires. Cet antagonisme peut être expliqué par le fait que XDSCR6 régule négativement l'activité transcriptionnelle de XSTAT3 en modulant sa méthylation sur les résidus lysine. L'ensemble de nos résultats a permis de déterminer l'importance cruciale de cette modification post-traductionnelle dans les propriétés ventralisantes de XSTAT3. Par ailleurs, nous avons montré que la méthyltransférase XEZH2 méthyle et active XSTAT3 in vivo. Des travaux antérieurs de l'équipe avaient montré que les propriétés dorsalisantes de XDSCR6 reposent sur sa capacité à inhiber l'activité épigénétique répressive de XEZH2 sur les gènes du mésoderme dorsal. Ainsi, nos travaux suggèrent que XDSCR6 est un modulateur transcriptionnel situé à l'interface entre certains régulateurs chromatiniens et des facteurs de transcription pendant la mise en place des axes embryonnaires. / One of the most challenging questions in developmental biology is to understand how a totipotent zygote differentiates into an organism containing all cell lineages. The formation of the three germ layers and the establishment of embryonic axis are fundamental events during early development. In this context, we demonstrated that XDSCR6, a mesoderm and embryonic axis inducer that exhibits dorsalizing properties, physically and functionally interacts with the transcriptional factor XSTAT3. During early development, XSTAT3 is active throughout gastrulation step and its abnormal activation in dorsal region leads to embryonic tissues ventralization. Furthermore, we showed that XDSCR6 and XSTAT3 have antagonistic roles in vivo during axis formation. This antagonism can be explained by the fact that XDSCR6 negatively regulates the transcriptional activity of XSTAT3 by interfering with its methylation on lysine residues. Moreover, this post-translational modification plays a crucial role in the ventralization abilities of XSTAT3. In a previous study, it has been shown that XDSCR6 negatively regulates the XEZH2 repressive epigenetic activity on dorsal mesoderm genes. Thus, we propose that XDSCR6 is a transcriptional modulator acting between epigenetic regulators and transcriptional factors during embryonic axis formation.