Techniques to Analyze sRNA Protein Cofactor Self-Assembly In Vitro

Post-transcriptional control of gene expression by small regulatory noncoding RNA (sRNA) needs protein accomplices to occur. Past research mainly focused on the RNA chaperone Hfq as cofactor. Nevertheless, recent studies indicated that other proteins might be involved in sRNA-based regulations. As some of these proteins have been shown to self-assemble, we describe in this chapter protocols to analyze the nano-assemblies formed. Precisely, we focus our analysis on Escherichia coli Hfq as a model, but the protocols presented here can be applied to analyze any polymer of proteins. This chapter thus provides a guideline to develop commonly used approaches to detect prokaryotic protein self-assembly, with a special focus on the detection of amyloidogenic polymers

Compressed Sensing for Dose Reduction in STEM Tomography

We designed a complete acquisition-reconstruction framework to reduce the radiation dosage in 3D scanning transmission electron microscopy (STEM). Projection measurements are acquired by randomly scanning a subset of pixels at every tilt-view (i.e., random-beam STEM or RB-STEM ). High-quality images are then recovered from the randomly downsampled measurements through a regularized tomographic reconstruction framework. By fulfilling the compressed sensing requirements, the proposed approach improves the reconstruction of heavily-downsampled RB-STEM measurements over the current state-of-the-art technique. This development opens new perspectives in the search for methods permitting lower-dose 3D STEM imaging of electron-sensitive samples without degrading the quality of the reconstructed volume. A Matlab code implementing the proposed reconstruction algorithm has been made available online

Architecture and permeability of post-cytokinesis plasmodesmata lacking cytoplasmic sleeves

This work was supported by the grants by the Region Aquitaine (to E.M.B) and PEPS (Initial Support for Exploratory Projects to E.M.B) and National Agency for Research (Grant ANR-14-CE19-0006-01 to E.M.B).Plasmodesmata are remarkable cellular machines responsible for the controlled exchange of proteins, small RNAs and signalling molecules between cells. They are lined by the plasma membrane (PM), contain a strand of tubular endoplasmic reticulum (ER), and the space between these two membranes is thought to control plasmodesmata permeability. Here, we have reconstructed plasmodesmata three-dimensional (3D) ultrastructure with an unprecedented level of 3D information using electron tomography. We show that within plasmodesmata, ER-PM contact sites undergo substantial remodelling events during cell differentiation. Instead of being open pores, post-cytokinesis plasmodesmata present such intimate ER-PM contact along the entire length of the pores that no intermembrane gap is visible. Later on, during cell expansion, the plasmodesmata pore widens and the two membranes separate, leaving a cytosolic sleeve spanned by tethers whose presence correlates with the appearance of the intermembrane gap. Surprisingly, the post-cytokinesis plasmodesmata allow diffusion of macromolecules despite the apparent lack of an open cytoplasmic sleeve, forcing the reassessment of the mechanisms that control plant cell-cell communication.PostprintPeer reviewe

Bidirectional intraflagellar transport is restricted to two sets of microtubule doublets in the trypanosome flagellum

Intraflagellar transport (IFT) is the rapid bidirectional movement of large protein complexes driven by kinesin and dynein motors along microtubule doublets of cilia and flagella. In this study, we used a combination of high-resolution electron and light microscopy to investigate how and where these IFT trains move within the flagellum of the protist Trypanosoma brucei. Focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) analysis of trypanosomes showed that trains are found almost exclusively along two sets of doublets (3–4 and 7–8) and distribute in two categories according to their length. High-resolution live imaging of cells expressing mNeonGreen::IFT81 or GFP::IFT52 revealed for the first time IFT trafficking on two parallel lines within the flagellum. Anterograde and retrograde IFT occurs on each of these lines. At the distal end, a large individual anterograde IFT train is converted in several smaller retrograde trains in the space of 3–4 s while remaining on the same side of the axoneme

Probing the in vitro mechanism of action of cationic lipid/DNA lipoplexes at a nanometric scale

Cationic lipids are used for delivering nucleic acids (lipoplexes) into cells for both therapeutic and biological applications. A better understanding of the identified key-steps, including endocytosis, endosomal escape and nuclear delivery is required for further developments to improve their efficacy. Here, we developed a labelling protocol using aminated nanoparticles as markers for plasmid DNA to examine the intracellular route of lipoplexes in cell lines using transmission electron microscopy. Morphological changes of lipoplexes, membrane reorganizations and endosomal membrane ruptures were observed allowing the understanding of the lipoplex mechanism until the endosomal escape mediated by cationic lipids. The study carried out on two cationic lipids, bis(guanidinium)-tris(2-aminoethyl)amine-cholesterol (BGTC) and dioleyl succinyl paramomycin (DOSP), showed two pathways of endosomal escape that could explain their different transfection efficiencies. For BGTC, a partial or complete dissociation of DNA from cationic lipids occurred before endosomal escape while for DOSP, lipoplexes remained visible within ruptured vesicles suggesting a more direct pathway for DNA release and endosome escape. In addition, the formation of new multilamellar lipid assemblies was noted, which could result from the interaction between cationic lipids and cellular compounds. These results provide new insights into DNA transfer pathways and possible implications of cationic lipids in lipid metabolism

Tracking Membrane Protein Association in Model Membranes

Membrane proteins are essential in the exchange processes of cells. In spite of great breakthrough in soluble proteins studies, membrane proteins structures, functions and interactions are still a challenge because of the difficulties related to their hydrophobic properties. Most of the experiments are performed with detergent-solubilized membrane proteins. However widely used micellar systems are far from the biological two-dimensions membrane. The development of new biomimetic membrane systems is fundamental to tackle this issue

Etude de l'assemblage du système d'efflux membranaire MexAB-OprM impliqué dans la résistance aux antibiotiques chez Pseudomonas aeruginosa : caractérisation combinée par Microbalance à cristal de quartz avec mesure de dissipation et cryo-tomographie électronique

Pseudomonas aeruginosa est une bactérie Gram-négative qui présente une grande résistance aux antibiotiques, lui permettant de sévir dans le milieu hospitalier en infectant plus particulièrement les patients immunodéprimés. Cette résistance est principalement due au système d’efflux membranaire MexAB-OprM, capable d’exporter les antibiotiques en dehors de la cellule. Cette pompe à efflux est composée de trois protéines, MexA, MexB et OprM, incorporées dans les membranes internes et externes de la paroi bactérienne. Les structures de MexA, OprM et AcrB -une protéine présente chez E. coli, homologue de MexB- ont été déterminées individuellement par cristallographie des rayons X. Cependant, la structure du complexe entier, regroupant les trois protéines en interaction, ainsi que le mécanisme de cette pompe font toujours défaut. Le renforcement de nos connaissances structurales et fonctionnelles est donc capital pour lutter plus efficacement contre ces bactéries, par de nouvelles stratégies médicamenteuses. Ce travail porte sur l’étude de la structure et de la stœchiométrie de l’assemblage des protéines OprM et MexA au sein d’une membrane lipidique. La caractérisation du complexe OprM/MexA a été réalisée à l’aide de nouvelles techniques de caractérisation physico-chimique des surfaces, telle que la Microbalance à Cristal de Quartz avec Mesure de Dissipation (QCM-D), et par des méthodes d’imagerie, telles que la Cryo-Microscopie Electronique en Transmission (CryoMET) et la Cryo-Tomographie Electronique (CryoTE). En QCM-D, les mesures d’interaction entre OprM et MexA ont été réalisées sur support solide en contrôlant l’orientation d’OprM placée dans un environnement lipidique. Après ajout de la protéine MexA, la formation de complexes OprM/MexA a été mise évidence. Pour comprendre l’organisation de ce complexe, nous avons procédé à une étude comparative de l’organisation des protéines OprM, MexA et du complexe OprM/MexA incorporés dans une membrane lipidique, par CryoMET. Trois types d’organisation, respectivement spécifiques d’OprM, de MexA et du complexe OprM/MexA, ont été mis en évidence. Une analyse structurale de ces trois différents assemblages, pris en sandwich entre deux membranes lipidiques, a été menée par CryoTE. La reconstitution de la protéine OprM conduit à la formation de protéoliposomes, dû à des interactions intervenant entre les protéines OprM au niveau de leurs hélices périplasmiques. La protéine MexA s’organise sous forme d’une structure annulaire de 13 nm de hauteur au sein des membranes lipidiques, et d’une structure plus complexe de 26 nm de hauteur, résultant de l’empilement tête-bêche de deux structures annulaires de 13 nm. Ce travail révèle les dimensions exactes de l’assemblage formé par MexA, et permet de localiser à proximité des membranes les domaines non résolus dans la structure cristallographique. La reconstitution du complexe OprM/MexA révèle une disposition régulière des deux protéines dans les membranes lipidiques. Au sein des complexes, les protéines OprM sont présentes sous forme de trimères. Dans la membrane opposée, à l’aplomb d’une molécule d’OprM, MexA ne forme pas une structure annulaire similaire à celle décrite précédemment, indiquant un état d’oligomérisation différent de celui observé dans les assemblages MexA. Les densités de MexA sont compatibles avec la présence de quelques molécules de MexA. Cependant des structures annulaires de MexA, positionnées à l’aplomb de trois trimères d’OprM sont visibles. Notre étude montre que MexA adopte des structures oligomériques spécifiques en fonction de ses interactions avec les membranes lipidiques ou avec son partenaire OprM.The structure determination of membrane protein in lipid environment can be carried out using cryo electron microscopy combined with the recent development of data collection and image processing. We describe a protocol to study assemblies or stacks of membrane protein reconstitued into a lipid membrane using both cryo electron tomography and single particle analysis which is an alternative approach to electron crystallography for solving 3D structure. We show the organization of the successive layers of OprM molecules revealing the protein-protein interactions between OprM molecules of two successive lipid bilayers

Etude de l'assemblage du système d'efflux membranaire MexAB-OprM impliqué dans la résistance aux antibiotiques chez Pseudomonas aeruginosa : caractérisation combinée par Microbalance à cristal de quartz avec mesure de dissipation et cryo-tomographie électronique

Pseudomonas aeruginosa est une bactérie Gram-négative qui présente une grande résistance aux antibiotiques, lui permettant de sévir dans le milieu hospitalier en infectant plus particulièrement les patients immunodéprimés. Cette résistance est principalement due au système d’efflux membranaire MexAB-OprM, capable d’exporter les antibiotiques en dehors de la cellule. Cette pompe à efflux est composée de trois protéines, MexA, MexB et OprM, incorporées dans les membranes internes et externes de la paroi bactérienne. Les structures de MexA, OprM et AcrB -une protéine présente chez E. coli, homologue de MexB- ont été déterminées individuellement par cristallographie des rayons X. Cependant, la structure du complexe entier, regroupant les trois protéines en interaction, ainsi que le mécanisme de cette pompe font toujours défaut. Le renforcement de nos connaissances structurales et fonctionnelles est donc capital pour lutter plus efficacement contre ces bactéries, par de nouvelles stratégies médicamenteuses. Ce travail porte sur l’étude de la structure et de la stœchiométrie de l’assemblage des protéines OprM et MexA au sein d’une membrane lipidique. La caractérisation du complexe OprM/MexA a été réalisée à l’aide de nouvelles techniques de caractérisation physico-chimique des surfaces, telle que la Microbalance à Cristal de Quartz avec Mesure de Dissipation (QCM-D), et par des méthodes d’imagerie, telles que la Cryo-Microscopie Electronique en Transmission (CryoMET) et la Cryo-Tomographie Electronique (CryoTE). En QCM-D, les mesures d’interaction entre OprM et MexA ont été réalisées sur support solide en contrôlant l’orientation d’OprM placée dans un environnement lipidique. Après ajout de la protéine MexA, la formation de complexes OprM/MexA a été mise évidence. Pour comprendre l’organisation de ce complexe, nous avons procédé à une étude comparative de l’organisation des protéines OprM, MexA et du complexe OprM/MexA incorporés dans une membrane lipidique, par CryoMET. Trois types d’organisation, respectivement spécifiques d’OprM, de MexA et du complexe OprM/MexA, ont été mis en évidence. Une analyse structurale de ces trois différents assemblages, pris en sandwich entre deux membranes lipidiques, a été menée par CryoTE. La reconstitution de la protéine OprM conduit à la formation de protéoliposomes, dû à des interactions intervenant entre les protéines OprM au niveau de leurs hélices périplasmiques. La protéine MexA s’organise sous forme d’une structure annulaire de 13 nm de hauteur au sein des membranes lipidiques, et d’une structure plus complexe de 26 nm de hauteur, résultant de l’empilement tête-bêche de deux structures annulaires de 13 nm. Ce travail révèle les dimensions exactes de l’assemblage formé par MexA, et permet de localiser à proximité des membranes les domaines non résolus dans la structure cristallographique. La reconstitution du complexe OprM/MexA révèle une disposition régulière des deux protéines dans les membranes lipidiques. Au sein des complexes, les protéines OprM sont présentes sous forme de trimères. Dans la membrane opposée, à l’aplomb d’une molécule d’OprM, MexA ne forme pas une structure annulaire similaire à celle décrite précédemment, indiquant un état d’oligomérisation différent de celui observé dans les assemblages MexA. Les densités de MexA sont compatibles avec la présence de quelques molécules de MexA. Cependant des structures annulaires de MexA, positionnées à l’aplomb de trois trimères d’OprM sont visibles. Notre étude montre que MexA adopte des structures oligomériques spécifiques en fonction de ses interactions avec les membranes lipidiques ou avec son partenaire OprM.The structure determination of membrane protein in lipid environment can be carried out using cryo electron microscopy combined with the recent development of data collection and image processing. We describe a protocol to study assemblies or stacks of membrane protein reconstitued into a lipid membrane using both cryo electron tomography and single particle analysis which is an alternative approach to electron crystallography for solving 3D structure. We show the organization of the successive layers of OprM molecules revealing the protein-protein interactions between OprM molecules of two successive lipid bilayers

Etude de l'assemblage du système d'efflux membranaire MexAB-OprM impliqué dans la résistance aux antibiotiques chez Pseudomonas aeruginosa : caractérisation combinée par Microbalance à cristal de quartz avec mesure de dissipation et cryo-tomographie électronique

Pseudomonas aeruginosa est une bactérie Gram-négative qui présente une grande résistance aux antibiotiques, lui permettant de sévir dans le milieu hospitalier en infectant plus particulièrement les patients immunodéprimés. Cette résistance est principalement due au système d’efflux membranaire MexAB-OprM, capable d’exporter les antibiotiques en dehors de la cellule. Cette pompe à efflux est composée de trois protéines, MexA, MexB et OprM, incorporées dans les membranes internes et externes de la paroi bactérienne. Les structures de MexA, OprM et AcrB -une protéine présente chez E. coli, homologue de MexB- ont été déterminées individuellement par cristallographie des rayons X. Cependant, la structure du complexe entier, regroupant les trois protéines en interaction, ainsi que le mécanisme de cette pompe font toujours défaut. Le renforcement de nos connaissances structurales et fonctionnelles est donc capital pour lutter plus efficacement contre ces bactéries, par de nouvelles stratégies médicamenteuses. Ce travail porte sur l’étude de la structure et de la stœchiométrie de l’assemblage des protéines OprM et MexA au sein d’une membrane lipidique. La caractérisation du complexe OprM/MexA a été réalisée à l’aide de nouvelles techniques de caractérisation physico-chimique des surfaces, telle que la Microbalance à Cristal de Quartz avec Mesure de Dissipation (QCM-D), et par des méthodes d’imagerie, telles que la Cryo-Microscopie Electronique en Transmission (CryoMET) et la Cryo-Tomographie Electronique (CryoTE). En QCM-D, les mesures d’interaction entre OprM et MexA ont été réalisées sur support solide en contrôlant l’orientation d’OprM placée dans un environnement lipidique. Après ajout de la protéine MexA, la formation de complexes OprM/MexA a été mise évidence. Pour comprendre l’organisation de ce complexe, nous avons procédé à une étude comparative de l’organisation des protéines OprM, MexA et du complexe OprM/MexA incorporés dans une membrane lipidique, par CryoMET. Trois types d’organisation, respectivement spécifiques d’OprM, de MexA et du complexe OprM/MexA, ont été mis en évidence. Une analyse structurale de ces trois différents assemblages, pris en sandwich entre deux membranes lipidiques, a été menée par CryoTE. La reconstitution de la protéine OprM conduit à la formation de protéoliposomes, dû à des interactions intervenant entre les protéines OprM au niveau de leurs hélices périplasmiques. La protéine MexA s’organise sous forme d’une structure annulaire de 13 nm de hauteur au sein des membranes lipidiques, et d’une structure plus complexe de 26 nm de hauteur, résultant de l’empilement tête-bêche de deux structures annulaires de 13 nm. Ce travail révèle les dimensions exactes de l’assemblage formé par MexA, et permet de localiser à proximité des membranes les domaines non résolus dans la structure cristallographique. La reconstitution du complexe OprM/MexA révèle une disposition régulière des deux protéines dans les membranes lipidiques. Au sein des complexes, les protéines OprM sont présentes sous forme de trimères. Dans la membrane opposée, à l’aplomb d’une molécule d’OprM, MexA ne forme pas une structure annulaire similaire à celle décrite précédemment, indiquant un état d’oligomérisation différent de celui observé dans les assemblages MexA. Les densités de MexA sont compatibles avec la présence de quelques molécules de MexA. Cependant des structures annulaires de MexA, positionnées à l’aplomb de trois trimères d’OprM sont visibles. Notre étude montre que MexA adopte des structures oligomériques spécifiques en fonction de ses interactions avec les membranes lipidiques ou avec son partenaire OprM.The structure determination of membrane protein in lipid environment can be carried out using cryo electron microscopy combined with the recent development of data collection and image processing. We describe a protocol to study assemblies or stacks of membrane protein reconstitued into a lipid membrane using both cryo electron tomography and single particle analysis which is an alternative approach to electron crystallography for solving 3D structure. We show the organization of the successive layers of OprM molecules revealing the protein-protein interactions between OprM molecules of two successive lipid bilayers