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Relationship between composition and function of cell and subcellular membranes
Organization:
Aline Amérand (EA 4324-ORPHY)
Edouard Kraffe (UMR 6521- Lipide en milieux Marin)
The seminar will be held June 4 2010 in Brest.
Seminar Description:
For many it is surprising to consider that the primary role of lipids in the biology of animals is
not as fuel depots but as dynamic constituents of membranes.
Works over the last decade have demonstrated striking relationships between membrane
lipid compositions and the structural integrity and functional specialization of membrane
proteins involved in important cellular processes. Membrane lipids are structures that in turn
can impose organization on the distribution of proteins in the bilayer and play a key role in
setting their activities. Membrane lipids come in a number of different forms that can differ in
their structure, chemical and physical properties. Phylogeny, body size, ontology,
metabolism, diet, diseases, temperature, salinity are all examples of factors that can effect
membrane lipids composition and therefore the biochemistry and physiology of animal
species. Membrane lipids are responsive to the needs of animals, but at the same time
appear to be highly regulated (within species limits). Emerging ideas suspect that variations
of their composition beyond these limits would have significant effects on cellular metabolism
and regulation.
Program:
11h-12h
Dr Winter (Physical Chemistry-Biophysical Chemistry and Organic Chemistry, Department f
Chemistry, University of Dortmund, Germany): Lipid Bilayers and Biomembranes under
Extreme Conditions
12h-14h : Lunch
14h-14h30
Dr Sergent (EA SeRAIC : Signalisation et Réponses aux Agents Infectieux et Chimiques
-Université Rennes 1): Modulations physicochimiques des radeaux lipidiques et toxicité
hépatique de l'éthanol.
14h30-15h00
Dr Dimanche-Boitrel (Department EA SeRAIC n°4427 : Signaling and responses to
stress-Université Rennes 1): Le cisplatine induit une nouvelle voie apoptotique
impliquant les radeaux lipidiques membranaires enrichis en céramide-Fas/ezrine.
15h00-15h30
Pr Claireaux (ORPhy EA 4324, UBO): Understanding physiological diversity : the role of
dietary fatty acids
15h30-16h00
Dr Kraffe (UMR 6521 - UBO): Role of specific membrane lipid structures on the
molecular activity of mitochondrial membrane proteins.
16h00: Coffee
Lipid Bilayers and Biomembranes under Extreme Conditions
Roland Winter
TU Dortmund, Physical Chemistry I – Biophysical Chemistry, D-44227 Dortmund, Germany
Lipid bilayers, which provide valuable model systems for biomembranes, display a variety of
polymorphic phases, depending on their molecular structure and environmental conditions,
such as pH, ionic strength, temperature and pressure. By using calorimetric, spectroscopic and
diffraction techniques, the temperature and pressure dependent structure and phase behavior
of one-, two- and three-component lipid systems, differing in chain configuration and
headgroup structure, have been studied. Neutron small-angle scattering and two-photon
excited fluorescence microscopy have been used to study the lateral organization of phaseseparated lipid membranes and raft mixtures, also under high pressure conditions. Much is
known about amphiphile-water mixtures in equilibrium but, as yet, little is known about their
kinetic and non-equilibrium behavior. Hence, we discuss pressure also as a kinetic variable.
Applying the pressure-jump relaxation technique in combination with time-resolved
synchrotron X-ray diffraction, the kinetics of various lipid phase transformations was
investigated. Besides lamellar lyotropic phases, also non-lamellar phases, such as hexagonal
and cubic phases, have been studied. The inverse bicontinuous cubic phases have also
attracted considerable biotechnological interest, such as for protein crystallization and drug
delivery. Moreover, cellular traffic, in particular membrane fusion, budding and fission, must
eventually proceed via structural routes that are closely linked to those which occur during
lyotropic phase transitions. Identifying and understanding such transformations in model
systems will therefore be of central importance to our understanding of endo- and exocytosis
and to the design of lipid packaging for effective drug delivery. By adding small peptides,
lipidated signalling proteins as well as membrane proteins such as Na+,K+-ATPase, drastic
changes of the lateral organization and topology of lipid vesicles occur and, by a molecular
sorting mechanism, new lateral membrane structures may be induced. Pressure dependent
spectroscopy, SAXS and two-photon-excited fluorescence microscopy experiments were
carried out to reveal pressure dependent conformational and phase changes in these systems,
to construct their corresponding temperature-pressure phase diagrams, and to be able to reveal
the inhibitory effects of high pressures on membrane protein function.
Modulations physicochimiques des radeaux lipidiques et toxicité hépatique de l'éthanol.
Odile Sergent
EA 4427 SeRAIC, Signalisation et Réponses aux Agents Infectieux et Chimiques
IRSET, Institut de Recherches En Santé-Environnement-Travail,
Faculté de Pharmacie, Université de Rennes 1
Bien que le rôle de nombreux organites cellulaires (réticulum endoplasmique,
mitochondrie etc…) ait été largement étudié dans le développement des maladies alcooliques
du foie, celui de la membrane plasmique, et en particulier celui des radeaux lipidiques, l'est
beaucoup moins. Ainsi, nous nous sommes intéressés à l'implication de la fluidité
membranaire et des radeaux lipidiques dans le stress oxydant et la mort cellulaire induits par
l'éthanol dans les hépatocytes de rat en culture primaire. Nous avons ainsi montré qu'une
agrégation des radeaux lipidiques associées à une augmentation de la fluidité des membranes
totales et des radeaux lipidiques est responsable du stress oxydant induit par l'éthanol (Sergent
et al, J Pharmacol Ther, 2005; Nourissat et al, Hepatology, 2008). Comme les acides gras
polyinsaturés 3 à longue chaîne sont largement décrits pour altérer la composition des
radeaux lipidiques et que leur implication dans le développement des maladies alcooliques
demeure controversé, nous avons étudié l'effet d'une supplémentation par l'acide
eicosapentaénoique (EPA, C20:5 (n-3)), sur les caractéristiques physicochimiques des
radeaux lipidiques et la toxicité de l'éthanol. L'EPA induit une élévation importante de la
fluidité des radeaux lipidiques, un remaniement de la composition protéique et lipidique de
ceux-ci, ainsi que leur agrégation. En outre, la supplémentation par l'EPA entraîne une
augmentation de la toxicité de l'éthanol (mort cellulaire et stress oxydant). Les stabilisants
membranaires ou les agents déstructurants les radeaux lipidiques protègent de cette toxicité.
Conclusion : les variations de fluidité membranaire et des propriétés physicochimiques des
radeaux lipidiques jouent un rôle clef dans l'effet de l'EPA sur la toxicité de l'éthanol.
Le cisplatine induit une nouvelle voie apoptotique impliquant les radeaux lipidiques
membranaires enrichis en céramide-Fas/ezrine.
Marie-Thérèse Dimanche-Boitrel
EA 4427 SeRAIC, Signalisation et Réponses aux Agents Infectieux et Chimiques
IRSET, Institut de Recherches En Santé-Environnement-Travail,
Faculté de Pharmacie, Université de Rennes 1
Le cisplatine est un agent anticancéreux couramment utilisé pour le traitement des
tumeurs solides. Ce médicament induit la mort des cellules cancéreuses via la formation
d’adduits à l’ADN. Toutefois, ces lésions ne suffisent pas à expliquer sa cytotoxicité. Il y a
quelques années, notre équipe avait montré que le cisplatine induisait l’agrégation et
l’activation du récepteur Fas indépendamment de son ligand (FasL) (Micheau et al., J Biol
Chem 1999). Depuis, notre équipe a montré que le cisplatine induisait la redistribution du
récepteur Fas dans les radeaux lipidiques des cellules cancéreuses coliques humaines HT29.
Cet événement était dépendant de la génération de céramide membranaire via l’activation de
la sphingomyélinase acide (ASM). De façon concomitante, une augmentation rapide et
transitoire de la fluidité membranaire était observée (Lacour et al., Cancer Res 2004). Plus
récemment, nous avons montré que l’origine de l’augmentation de la fluidité membranaire
était dépendante de l’activation de l’ASM en lien avec une inhibition précoce de l’échangeur
Na+/H+ (NHE1) par le cisplatine (Rebillard et al., Cancer Res 2007). Finalement, l’apoptose
induite par le cisplatine requérait une réorganisation des microfilaments d’actine qui était
dépendante de l’augmentation de fluidité membranaire, du récepteur Fas et de la ROCK (Rho
Kinase) (Rebillard et al., Eur J cancer 2010). En conclusion, nos travaux ont permis de mettre
en évidence un rôle majeur des événements membranaires précoces (fluidité et radeaux
lipidiques) dans la cytotoxicité du cisplatine indépendamment de ses effets sur l’ADN.
Rebillard A. et al. Cisplatin induces a new cell death pathway involving Fas-dependent actin reorganization.
Eur. J. Cancer 2010, 46, 1445-1455.
Rebillard A. et al. Cisplatin-induced apoptosis involves membrane fluidification via inhibition of NHE1 in
human colon cancer cells. Cancer Res. 2007, 67: 7865-74.
Lacour S. et al. Cisplatin-induced CD95 redistribution into membrane lipid rafts of HT29 human colon cancer
cells. Cancer Res. 2004, 64: 3593-8.
Micheau O. et al. Fas ligand-independent, FADD-mediated activation of the Fas death pathway by anticancer
drugs. J. Biol. Chem. 1999, 274: 7987-92.
Role of specific membrane lipid structures on the molecular activity
of mitochondrial membrane proteins
Edouard Kraffe
Aims of the study are to understand fine mechanisms by which variations of lipid
membrane structures influence cellular functions, and among them those associated
to mitochondrial energetic and oxidative metabolism. The cytochrome c oxidase, an
important membrane proteins component implicated in oxidative phosphorylation
process in mitochondria, was used to test the lipid specificity requirement for its
enzymatic activity. Some preliminary results on the cross-over relipidation technic will
be presented to show how these experiments could give new insights in determining
the degree to which specific membrane lipids and fatty acids and/or membrane lipid
mixtures are involved in changing the molecular activity of this membrane protein.
The implications of this study will be to go further in our understanding of membrane
action based on lipid composition, but also to further elucidate the role and
importance of membrane lipid composition on the biology of living animals.