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Regulation of Signal Transduction Studied by Quantitative Single Cell Measurements

English title Regulation of Signal Transduction Studied by Quantitative Single Cell Measurements
Applicant Pelet Serge
Number 139121
Funding scheme SNSF Professorships
Research institution Département de Microbiologie Fondamentale Faculté de Biologie et de Médecine Université de Lausanne
Institution of higher education University of Lausanne - LA
Main discipline Biochemistry
Start/End 01.09.2012 - 31.08.2016
Approved amount 1'600'000.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Biochemistry
Experimental Microbiology
Cellular Biology, Cytology

Keywords (8)

Flow cytometry; microfluidics; Signaling networks; Quantitative measurements; Single cell; MAPK pathways; Microscopy; Budding yeast

Lay Summary (French)

Lead
Pour comprendre les processus dynamiques qui ont lieu dans les voies de signalisation MAPK dans la levure, les réponses de cellules uniques vont être mesurées en temps réel et de manière quantitative. La microscopie combinée à la microfluidique offrent de grandes possibilités pour générer ce type de données. Ces mesures vont permettre de mettre à jour des mécanismes de régulation de ces cascades de signalisation qui sont conservées dans toutes les cellules eucaryotes.
Lay summary

Les cellules vivent dans des environnements qui changent sans cesse. Elles ont développé des voies de signalisation complexes pour répondre à ces changements. Une structure récurrente pour transmettre ces stimuli extra-cellulaires sont les mitogen activated protein (MAP) kinases qui sont formées par un jeu de trois kinases. La MAP kinase kinase kinase (MAP3K) est en amont et reçoit le signal de senseurs extra-cellulaires. Elle active la kinase intermédiaire (MAP kinase kinase, MAP2K), qui à son tour phosphoryle la MAPK. Cette dernière enzyme transmet le signal à toute la cellule. Elle module l’activité de ces substrats en les phosphorylant et en parallèle induit l’expression de nouvelles protéines. Cette architecture a été conservée au cours de l’évolution des levures jusqu’aux mammifères. La levure de boulanger, Saccharomyces Cerevisiae, est de ce fait utilisée comme système modèle pour comprendre la régulation de ces voies de signalisation.

 

Traditionnellement, les expériences en biologie sont faites sur un grand nombre de cellules. Mais chaque cellule dans la population, même si toutes portent le même bagage génétique, sera légèrement différente des autres, soit parce qu’elle a une autre taille, parce qu’elle exprime un assemblage de protéines différent ou parce qu’elle se trouve dans une autre phase du cycle cellulaire. De ce fait, chaque cellule peut réagir de manière différente à un stimulus. L’observation des réactions des cellules individuelles peut permettre de découvrir de nouvelles réponses qui sont masquées quand la population est mesurée dans son ensemble. Par exemple, l’addition de NaCl au milieu de culture des levures induit l’activation de la MAPK Hog1 qui permet l’adaptation des cellules à leur nouvel environnement. Quand la réponse des cellules uniques est mesurée, nous avons pu démontrer que l’activation de la kinase était uniforme dans la population. Par contre, l’expression de protéines a été détectée dans seulement une fraction des cellules. Cette expérience démontre que le même niveau d’activité de MAPK peut donner lieu à des profiles d’expressions très différents dans des cellules isogéniques soumises au même stress.

 

La microscopie offre une opportunité unique d’observer la réponse de cellules individuelles. La découverte de la protéine fluorescente verte (GFP) permet de suivre la localisation et l’abondance de n’importe quelle protéine. Cette technique permet de mesurer l’activité de protéines impliquées dans les voies de signalisation en temps réel dans des cellules vivantes. Par exemple, Hog1 passe du cytoplasme au noyau de la cellule après activation. Un but de ce projet est de développer de nouveaux senseurs pour quantifier par microscopie la dynamique de transmission du signal.

 

Les voies de signalisation n’opèrent pas de manière isolée dans la cellule, mais elles sont intégrées dans un réseau complexe de signalisation. Un vrai défi est de comprendre comment chaque voie est interconnectée à ce réseau pour accomplir sa fonction au bon moment et au bon endroit. Quatre voies MAPK sont actives dans les levures. De manière surprenante, ces voies partagent un nombre de protéines communes. Par exemple, la MAP3K Ste11 est présente dans trois de ces voies. Il n’est pas encore clair comment différents stimuli qui convergent tous sur Ste11 peuvent donner lieu à des réponses spécifiques. Les analyses par microscopie faites pendant ce travail devraient permettre de mettre à jour ces mécanismes de régulation qui inhibent l’activation croisée de ces voies parallèles.


 

Direct link to Lay Summary Last update: 11.10.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Highly variable individual donor cell fates characterize robust horizontal gene transfer of an integrative and conjugative element.
Delavat François, Mitri Sara, Pelet Serge, Van Der Meer Jan (2016), Highly variable individual donor cell fates characterize robust horizontal gene transfer of an integrative and conjugative element., in PNAS, E3375-E3383.
Real-time quantification of protein expression at the single-cell level via dynamic protein synthesis translocation reporters
Aymoz Delphine, Wosika Victoria, Durandau Eric, Pelet Serge (2016), Real-time quantification of protein expression at the single-cell level via dynamic protein synthesis translocation reporters, in Nature Communications, 7, 11304-11304.
Dynamic single cell measurements of kinase activity by synthetic kinase activity relocation sensors.
Eric Durandau, Delphine Aymoz, Serge Pelet (2015), Dynamic single cell measurements of kinase activity by synthetic kinase activity relocation sensors., in BMC Biology, 55(13), 1-16.
Parallel feedback loops control the basal activity of the HOG MAPK signaling cascade.
Sharifian H., Lampert F., Stojanovski K., Regot S., Vaga S., Buser R., Lee S.-S., Koeppl H., Posas F., Pelet S., Peter M. (2015), Parallel feedback loops control the basal activity of the HOG MAPK signaling cascade., in Integrative Biology, 7(4), 412-422.
Quantifying intracellular protein binding thermodynamics during mechanotransduction based on FRET spectroscopy
Rahim Nur Aida Abdul, Pelet Serge, Mofrad Mohammad R K, So Peter T C, Kamm Roger D (2014), Quantifying intracellular protein binding thermodynamics during mechanotransduction based on FRET spectroscopy, in Methods (San Diego, Calif), 66(2), 208-221.
Scalable inference of heterogeneous reaction kinetics from pooled single-cell recordings
Zechner Christoph, Unger Michael, Pelet Serge, Peter Matthias, Koeppl Heinz (2014), Scalable inference of heterogeneous reaction kinetics from pooled single-cell recordings, in Nature Methods, 11(2), 197-202.
A Cellular System for Spatial Signal Decoding in Chemical Gradients
Hegemann B., Unger M., Lee S.-S., Stoffel-Studer I., van den Heuvel J, Pelet S., Koeppl H., Peter M., A Cellular System for Spatial Signal Decoding in Chemical Gradients, in Developmental Cell, 1.
Dynamics of signal transduction in single cells quantified by microscopy
Ma Min, Mira Nadim, Pelet Serge, Dynamics of signal transduction in single cells quantified by microscopy, in Stefan Hohman (ed.).
New families of single integration vectors and gene tagging plasmids for genetic manipulations in budding yeast
Vosika Victoria, Durandau Eric, Varidel Clémence, Aymoz Delphine, Schmitt Marta, Pelet Serge, New families of single integration vectors and gene tagging plasmids for genetic manipulations in budding yeast, in Molecular Genetics and Genomics.
Temporal quantification of MAPK induced expression in single yeast cells
Pelet Serge, Aymoz Delphine, Durandau Eric, Temporal quantification of MAPK induced expression in single yeast cells, in JoVE.

Datasets

Timing of gene expression in a cell-fate decision system

Author Aymoz, Delphine; Pelet, Serge
Publication date 29.03.2018
Persistent Identifier (PID) https://doi.org/10.17867/10000114
Repository IDR
Abstract
Microscopy images and quantification of the time-lapse measurements performed to characterize different mating responsive promoters upon pheromone stimulus or in mating mixtures.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Francesc Posas and Eulalia de Nadal / Universitat Pompeu Fabra Spain (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Robbie Loewith Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Gian Paolo Dotto Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Heinz Koeppl / ETHZ Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Gustav Ammerer / University of Vienna Austria (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Teresa Teixeira France (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
David Shore Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Jan van der Meer Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
AllSystemsX Day Talk given at a conference Quantitative analysis of MAPK signaling cascades in single cells 01.09.2016 Bern, Switzerland Pelet Serge;
Swiss Microbiology Meeting Talk given at a conference Dynamic measurement of kinases activity in live single cell 13.06.2016 Bern, Switzerland Durandau Eric;
EMBO conference: gene transcription in yeast Talk given at a conference Real-time quantification of protein expression at the single-cell level via dynamic Protein Synthesis Translocation Reporters 11.06.2016 Sant Feliu de Guixols, Spain Aymoz Delphine;
Single Cell Symposium Talk given at a conference Single cell analysis of yeast MAPK pathways 30.05.2016 Lausanne, Switzerland Pelet Serge;
Single Cell Workshop Talk given at a conference Synthetic biosensors for quantitative analysis of signaling cascades in single cells 07.12.2015 Gothenburg, Sweden Pelet Serge;
Departmental Seminar Individual talk Synthetic biosensors for quantitative analysis of signaling cascades in single cells 30.11.2015 Paris, France Pelet Serge;
International course in Yeast System Biology Talk given at a conference Dynamic measurements of MAPK activity at the single cell level 04.06.2015 Gothenburg, Sweden Pelet Serge;
EMBO Hetergenity Talk given at a conference Quantitative single cell measurements of the yeast MAPK network 15.04.2015 Heidelberg, Germany Aymoz Delphine; Pelet Serge; Durandau Eric;
LS2 meeting Talk given at a conference Synthetic kinase activity relocation sensors for quantitative single cell measurements of MAPK pathways 04.02.2014 Lausanne, Switzerland Pelet Serge; Aymoz Delphine; Durandau Eric;


Self-organised

Title Date Place
DMF symposium 15.11.2012 Lausanne, Switzerland

Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Talks/events/exhibitions Mystère de l'UNIL Western Switzerland 2016
Talks/events/exhibitions Unil Mystères 2014 Western Switzerland 2014
Talks/events/exhibitions Mystères de l'UNIL Western Switzerland 2013

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
165844 Regulation of Signal Transduction Studied by Quantitative Single Cell Measurements 01.09.2016 SNSF Professorships
172900 Regulation of Signal Transduction Studied by Quantitative Single Cell Measurements 01.09.2017 SNSF Professorships

Abstract

Biochemical analysis has enabled to define static maps of interactions for many signal transduction pathways. To fully apprehend the complex dynamic processes governing these pathways, I want to acquire quantitative and dynamic measurements from single cells. Microscopy, combined with microfluidic devices, is ideally suited to generate such data sets. I will use these approaches to study the yeast MAPK pathways and develop new assays based on fluorescent reporters to follow in real time the dynamics and spatial organization of events initiated by the activation of a signal transduction cascade. These measurements will allow to uncover hidden regulatory mechanisms in central signaling pathways conserved in all eukaryotic cells.
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