Role of notch signalling in mammary gland

ÁBSTRACT : Mammary gland is composed of two main epithelial cell types, myoepithelial and luminal. The mechanisms involved in determination and maintenance of them remain poorly understood. Notch signaling is known to regulate cell fate determination in other tissues like skin and nervous system. It was also shown that it can act as tumor suppressor or oncogene depending on the tissue type. The mouse models overexpressing active Notch receptors indicated that Notch signaling is oncogenic in the mammary gland. This observation was followed by some descriptive and functional studies in human breast cancer and it was reported that Notch signaling activity or expression of its components are increased in some of the breast tumor samples compared to normal tissue. However, the physiological role of the Notch signaling and its downstream mechanisms in mammary gland is poorly defined. p63, a member of p53 family, has been implicated in the cell fate determination of keratinocytes. Knockout mouse models revealed that p63 is required for the formation of the mammary anlagen in embryo and its ΔN isoform is expressed exclusively in the myoepithelial layer of the adult breast. In order to understand its function in normal breast epithelial cells, I activated Notch signaling by expression of Notch1 intracellular domain (NICD) in normal primary human breast epithelial cells (HBECs). In this context, NICD reduced growth of HBECs and led to downmodulation of extracellular matrix-receptor interaction network (ECM) components as well as ΔNp63. Expression of ΔNp63 together with NICD partially rescued Notch induced growth reduction, which was correlated with an increase in ECM components. Moreover, silencing ΔNp63 in myoepithelial HBECs reduced growth similar to Notch activation and it led to downregulation of myoepithelial and upregulation of luminal markers. Complementing this observation, forced expression of ONp63 in luminal HBECs induced myoepithelial phenotype and decreased luminal markers. In vivo, by the analysis of a Notch reporter mouse strain, I showed that Notch is activated during puberty specifically at the sites of ductal morphogenesis, terminal end buds. FAGS analysis revealed that it can be detected in two different populations based on CD24 expression (low (lo) or high (high)): at lower levels in CD24lo, which includes stem/progenitor and myoepithelial cells and higher levels in CD24hi, which contains luminal cells. In parallel with in vitro results, the CD24lo mouse mammary epithelial cells displaying Notch activity have lower levels of p63 expression. Furthermore, deletion of RBPjk, the main mediator of Notch signaling, or the overexpression of ΔNp63 inhibited luminal cell lineage in vivo. Another important point revealed by Notch reporter mouse strain is the simultaneous activation of Notch with estrogen signaling during pubertal development. The expression of FOXA1, the mediator of estrogen receptor (ER) transcriptional activity, is correlated with Notch activation in vivo that it is lower in CD24lo than in CD24hi cells. Moreover, FOXA1 is regulated by NICD in vitro supporting the presence of a link between Notch and ER signaling. Taken together, I report that Notch signaling is involved in luminal cell fate determination and its effects are partially mediated through inhibition of ONp63. Besides, ΔNp63 is required for the maintenance and sufficient for the induction of myoepithelial phenotype in HBECs in vitro and is not compatible with luminal lineage in vivo. Based on these results, I propose a model for epithelial cell hierarchy in mammary gland, whereby there are two different types of luminal progenitors, early and late, displaying different levels of Notch activity. Notch signaling contributes to the determination of luminal cell lineage in these two progenitor steps: In "Early Luminal Progenitor" stage, it inhibits myoepithelial fate by decreasing p63 expression, and in "Late Luminal Progenitor" stage, Notch signaling is involved in induction of luminal lineage by acting on ER-FOXA1 axis. It has to be investigated further whether Notch signaling might behave as an oncogene or tumor suppressor depending on which cell type in the epithelial hierarchy it is modulated and which one is more likely to occur in different human breast cancer types. RÉSUMÉ : La glande mammaire est composée de deux types principaux de cellules: les cellules luminales, qui bordent le lumen et les cellules myoépithéliales, qui se trouvent entre la lame basale et les cellules luminales. Les mécanismes intervenant dans leur différenciation et leur maintenance demeurent encore mal compris. La protéine transmembranaire Notch est connue pour déterminer le destin des cellules dans plusieurs types de tissus comme la peau ou le système nerveux. Selon le type de tissu dans lequel se trouve Notch, il agira soit comme un suppresseur de tumeur soit comme un oncogène. A l'aide de modèles de souris surexprimant les récepteurs actifs de Notch, il a été démontré que la voie de signalisation de Notch est oncogénique au niveau de la glande mammaire. Des études descriptives et fonctionnelles dans le cadre du cancer du sein ont permis de mettre en évidence une augmentation de l'activité de Notch ou de l'expression de ces composants dans certains tissus cancéreux. Toutefois, le rôle physiologique de Notch et des mécanismes qu'il active restent méconnus. P63, une protéine membre de la famille p53, est impliquée dans la différenciation des kératinocytes. Le modèle issu de l'étude des souris p63 knockout a révélé que cette protéine est requise pour la formation des primordia mammaires chez l'embryon et que son isoforme ΔNp63 est exclusivement exprimée dans la couche myoépithéliale de la glande mammaire adulte. Dans le but de comprendre les fonctions physiologiques de Notch, je l'ai activé en exprimant le domaine intracellulaire de Notch 1 (NICD) dans des cellules épithéliales primaires de glande mammaire humaine (HBECs). Le NICD a alors réduit la croissance des HBECs et conduit à la régulation négative non seulement de p63 mais également des composants du réseau d'interaction des récepteurs de la matrice extracellulaire (ECM). En exprimant conjointement ΔNp63 et NICD, il est apparu que la réduction de croissance induite par Notch était partiellement compensée, et qu'il y avait également une augmentation des composants ECM. De plus, lorsque ΔNp63 a été inactivé dans les cellules HBECs myoépithéliales, une réduction de croissance cellulaire identique à celle provoquée par l'activation de Notch a pu être mise en évidence, de même qu'une régulation négative des marqueurs myoépithéliaux ainsi qu'une augmentation des marqueurs luminaux. Afin de compléter ces informations, l'expression de ΔNp63 a été forcée dans les HBECs luminales, ce qui a induit un phénotype myoépithélial et une diminution des marqueurs lumineux. In vivo, par l'analyse de souris ayant un gène rapporteur de l'activité de Notch, j'ai démontré que Notch est activé pendant la puberté au niveau des sites de la morphogenèse canalaire, à savoir les bourgeons terminaux. Les analyses par FACS (Fluorescence-activated cell sorting) basées sur l'expression de l'antigène CD24 ont révélé qu'il peut tre détecté dans deux populations différentes : une population qui l'exprime faiblement, qui regroupe les cellules souches/progéniteurs et les cellules myoépithéliales, et une population qui l'exprime fortement qui est composé des cellules luminales. Parallèlement aux résultats in vitro, j'ai mis en évidence un faible niveau d'expression de p63 dans les cellules épithéliales de la glande mammaire de souris, exprimant faiblement l'antigène CD24 et présentant une activité de Notch. De plus, la délétion de RBPjr~, médiateur principal de la signalisation de Notch, ainsi que la surexpression de ΔNp63 in vivo ont inhibé la lignée des cellules luminales. Un autre point important révélé par les souris rapporteur de l'activité de Notch a été l'activation simultanée de Notch et de la signalisation de l'oestrogène pendant le développement pubertaire. L'expression de FOXA1, médiateur de l'activité transcriptionnelle des récepteurs aux oestrogènes (ER), est en corrélation avec l'activation de Notch in vivo, plus basse dans les cellules avec une faible expression de l'antigène CD24 que dans celles avec une forte expression. De plus, FOXA1 est régulé par NICD in vitro confirmant la présence d'un lien entre Notch et la signalisation des ER. En résumé, la signalisation de Notch est impliquée dans la détermination du destin cellulaire des cellules luminales et ses effets sont partiellement modifiés par l'inhibition de ΔNp63. ΔNp63 est requis pour la maintenance et est suffisant pour l'induction du phénotype myoépithéliale dans les HBECs in vitro et ne peut donc pas se trouver dans les cellules luminales in vivo. Basé sur ces résultats, je propose un modèle de hiérarchisation des cellules épithéliales de la glande mammaire, dans lequel sont présents deux types de progéniteurs des cellules luminales exprimant des niveaux différents d'activité de Notch, les progéniteurs lumineux précoces et tardifs. La signalisation de Notch contribue à la différenciation de la lignée cellulaire luminale au niveau de ces deux progéniteurs : dans la forme précoce, il inhibe la différenciation des cellules myoépithéliales en réduisant l'expression de p63 et dans la forme tardive, Notch est impliqué dans l'induction de la lignée luminale en agissant sur l'axe ER-FOXA1. Il serait nécessaire d'investiguer plus loin si le fait que Notch agisse comme oncogène ou suppresseur de tumeur dépend du stade de différenciation de la cellule dans laquelle il est modulé et laquelle de ces deux fonctions il est le plus probable de rencontrer dans les différents types de cancer du sein.

Evidence for a sodium-induced activation of central neurogenic mechanisms in one-kidney, one-clip renal hypertensive rats

The mechanisms sustaining high blood pressure in conscious one-kidney, one-clip Goldblatt rats were evaluated with the use of SK&F 64139, a phenylethanolamine N-methyltransferase inhibitor capable of crossing the blood-brain barrier and of captopril, an angiotensin converting enzyme inhibitor. The rats were studied 3 weeks after left renal artery clipping and contralateral nephrectomy. During the developmental phase of hypertension, two groups of rats were maintained on a regular salt (RNa) intake, whereas two other groups were given a low salt (LNa) diet. On the day of the experiment, the base-line mean blood pressure measured in the LNa rats (177.4 +/- 5.2 mm Hg, mean +/- S.E., n = 15) was similar to that measured in the RNa rats (178.7 +/- 5.4 mm Hg, n = 16). SK&F 64139 (12.5 mg p.o.) induced a significantly more pronounced (P less than .001) blood pressure decrease in the RNa rats (-25.6 +/- 3.6 mm Hg, n = 8) than in the LNa rats (-4.3 +/- 3.3 mm Hg, n = 7) during a 90-min observation period. On the other hand, captopril (10 mg p.o.) normalized blood pressure in LNa rats (n = 8), but produced only a 13.4 mm Hg blood pressure drop in RNa rats (n = 8). RNa rats treated with SK&F 64139 were found to have decreased phenylethanolamine N-methyltransferase activity by an average 80% in selected brain stem nuclei when compared with nontreated rats. No significant difference in plasma catecholamine levels was found between the RNa and LNa rats. These results suggest that, in this experimental model of hypertension, the sodium ion might increase the model of hypertension, the sodium ion might increase the vasoconstrictor contribution of the sympathetic system via a centrally mediated neurogenic mechanism while at the same time it decreases the renin-dependency of the high blood pressure.

Altered brain mechanisms of emotion processing in pre-manifest Huntington's disease.

Huntington's disease is an inherited neurodegenerative disease that causes motor, cognitive and psychiatric impairment, including an early decline in ability to recognize emotional states in others. The pathophysiology underlying the earliest manifestations of the disease is not fully understood; the objective of our study was to clarify this. We used functional magnetic resonance imaging to investigate changes in brain mechanisms of emotion recognition in pre-manifest carriers of the abnormal Huntington's disease gene (subjects with pre-manifest Huntington's disease): 16 subjects with pre-manifest Huntington's disease and 14 control subjects underwent 1.5 tesla magnetic resonance scanning while viewing pictures of facial expressions from the Ekman and Friesen series. Disgust, anger and happiness were chosen as emotions of interest. Disgust is the emotion in which recognition deficits have most commonly been detected in Huntington's disease; anger is the emotion in which impaired recognition was detected in the largest behavioural study of emotion recognition in pre-manifest Huntington's disease to date; and happiness is a positive emotion to contrast with disgust and anger. Ekman facial expressions were also used to quantify emotion recognition accuracy outside the scanner and structural magnetic resonance imaging with voxel-based morphometry was used to assess the relationship between emotion recognition accuracy and regional grey matter volume. Emotion processing in pre-manifest Huntington's disease was associated with reduced neural activity for all three emotions in partially separable functional networks. Furthermore, the Huntington's disease-associated modulation of disgust and happiness processing was negatively correlated with genetic markers of pre-manifest disease progression in distributed, largely extrastriatal networks. The modulated disgust network included insulae, cingulate cortices, pre- and postcentral gyri, precunei, cunei, bilateral putamena, right pallidum, right thalamus, cerebellum, middle frontal, middle occipital, right superior and left inferior temporal gyri, and left superior parietal lobule. The modulated happiness network included postcentral gyri, left caudate, right cingulate cortex, right superior and inferior parietal lobules, and right superior frontal, middle temporal, middle occipital and precentral gyri. These effects were not driven merely by striatal dysfunction. We did not find equivalent associations between brain structure and emotion recognition, and the pre-manifest Huntington's disease cohort did not have a behavioural deficit in out-of-scanner emotion recognition relative to controls. In addition, we found increased neural activity in the pre-manifest subjects in response to all three emotions in frontal regions, predominantly in the middle frontal gyri. Overall, these findings suggest that pathophysiological effects of Huntington's disease may precede the development of overt clinical symptoms and detectable cerebral atrophy.

Edar/Eda interactions regulate enamel knot formation in tooth morphogenesis.

tabby and downless mutant mice have apparently identical defects in teeth, hair and sweat glands. Recently, genes responsible for these spontaneous mutations have been identified. downless (Dl) encodes Edar, a novel member of the tumour necrosis factor (TNF) receptor family, containing the characteristic extracellular cysteine rich fold, a single transmembrane region and a death homology domain close to the C terminus. tabby (Ta) encodes ectodysplasin-A (Eda) a type II membrane protein of the TNF ligand family containing an internal collagen-like domain. As predicted by the similarity in adult mutant phenotype and the structure of the proteins, we demonstrate that Eda and Edar specifically interact in vitro. We have compared the expression pattern of Dl and Ta in mouse development, taking the tooth as our model system, and find that they are not expressed in adjacent cells as would have been expected. Teeth develop by a well recorded series of epithelial-mesenchymal interactions, similar to those in hair follicle and sweat gland development, the structures found to be defective in tabby and downless mice. We have analysed the downless mutant teeth in detail, and have traced the defect in cusp morphology back to initial defects in the structure of the tooth enamel knot at E13. Significantly, the defect is distinct from that of the tabby mutant. In the tabby mutant, there is a recognisable but small enamel knot, whereas in the downless mutant the knot is absent, but enamel knot cells are organised into a different shape, the enamel rope, showing altered expression of signalling factors (Shh, Fgf4, Bmp4 and Wnt10b). By adding a soluble form of Edar to tooth germs, we were able to mimic the tabby enamel knot phenotype, demonstrating the involvement of endogenous Eda in tooth development. We could not, however, reproduce the downless phenotype, suggesting the existence of yet another ligand or receptor, or of ligand-independent activation mechanisms for Edar. Changes in the structure of the enamel knot signalling centre in downless tooth germs provide functional data directly linking the enamel knot with tooth cusp morphogenesis. We also show that the Lef1 pathway, thought to be involved in these mutants, functions independently in a parallel pathway.

Mechanisms involved in the maintenance of inbreeding depression in gynodioecious "Silene vulgaris" (Caryophyllaceae): an experimental investigation

Summary Gynodioecy, the joint occurrence of females and hermaphrodites within natural populations, is a widely studied mating system ever since Darwin (1877). It is an exceptional mating system because continuous selection is necessary to maintain it. Since females only reproduce through ovules whereas hermaphrodites transmit genes through ovules and pollen, larger female fitness, in terms of seed output, is required to allow their maintenance. Two non-exclusive mechanisms can account for the maintenance of females. First, as females do not produce pollen they can reallocate their resources towards a higher ovule production. Second, hermaphrodites can self- and cross-fertilize whereas females are obligate outcrossers. Thus hermaphrodites should partly suffer from inbreeding depression (i.e.: the fitness decline of inbred relative to outbred individuals) and thereby produce less fit progeny than females. This thesis investigated the effects of self- and cross-fertilization of heimaphrodites over two consecutive generations. Inbreeding depression increased across the successive stages of the life- cycle (i.e.: from "seed traits" to "reproductive traits") displaying large inbreeding depression estimates (up to 0.76). This investigation not only detected large inbreeding depression estimates but also detected mechanisms involved in the maintenance of inbreeding depression. For instance cryptic self-incompatibility which is here a larger in vivo pollen performance of distant pollen compared to self-pollen; the expression of inbreeding depression especially in late life-cycle stages, and the appearance of females in the progeny of selfed hermaphrodites. The female biased sex ratio in the progeny of selfed hermaphrodites was a surprising result and could either come from the sex determining mechanisms (complex nucleo-cytoplasmic interaction(s)) and/or from inbreeding depression. Indeed, we not only got females and hermaphrodites but also partial male-sterile (PMS) individuals (i.e.: individuals with differing number of viable stamens). We detected that inbred pollen bearing plants (excluding females) have less viable stamens per flower than outbred plants. A positive correlation was detected between inbreeding depression for the number of viable stamens per flower and the difference in sex ratio between inbred and outbred individuals. A positive relationship was also detected between inbreeding depression for pollen viability and inbreeding depression for number of viable stamens per flower. Each correlation can either account for pleiotropic effects (a major gene acting on the two considered traits) or linkage disequilibrium between genes controlling each of the two related traits. If we hypothesize that these correlations are due to a major gene with pleiotropic effects, the positive relationship between inbreeding depression for number of viable stamens per flower and inbreeding depression for pollen viability showed that deleterious alleles present on a major gene coding for pollen production and viability depressed male fitness within inbred plants. The positive relationship between sex ratio difference between inbred and outbred individuals and inbreeding depression for number of viable stamens per flower indicates that (1) either number of viable stamens per flower is, in addition to inbreeding, also affected by the loci coding for sex determinism or, (2) the presence of females within the progeny of selfed hermaphrodites is a consequence of large inbreeding depression inhibiting pollen production, or (3) sex is here determined by a combination of loci coding for sex expression and inbreeding depression for male reproductive traits. In conclusion, Silene vulgaris has been shown to be a good model for understanding the evolution of mating systems that promote outbreeding. Résumé La gynodïoécie est définie comme étant la présence simultanée d'hermaphrodites et de femelles au sein de populations naturelles d'une même espèce. Ce système de reproduction a toujours fasciné le monde scientifique depuis Darwin, comme en témoigne ses écrits (1876, 1877) sur les systèmes de reproduction chez les plantes. Les femelles ne transmettent leurs gènes qu'à travers leurs ovules alors que les hermaphrodites transmettent leurs gènes à la fois par la voie mâle (le pollen) et la voie femelle (les ovules). La condition pour que la gynodïoécie se maintienne nécessite donc une fitness de la fonction femelle plus élevée chez les femelles que chez les hermaphrodites. Deux mécanismes mutuellement non exclusifs peuvent expliquer le maintien des femelles au sein de ces populations gynodioïques. D'une part, les femelles peuvent réallouer les ressources non utilisées pour la production de pollen et peuvent par conséquent produire plus d'ovules. D'autre part, la reproduction des femelles ne peut se faire que par allo-fécondation alors que les hermaphrodites, peuvent se reproduire à la fois par auto- et allo-fécondation. L'autofécondation s'accompagne en général d'une diminution de fitness de la descendance relativement à la progéniture issue d'allo-fécondation ; ce phénomène est connu sous le nom de dépression de consanguinité. Cette thèse avait pour but de mettre en évidence une éventuelle dépression de consanguinité chez Silene vulgaris, une espèce gynodioïque. Des hermaphrodites, issus de trois vallées alpines, ont été auto- et allo¬fécondés sur deux générations successives. La dépression de consanguinité pouvant s'exprimer à tous les stades de vie d'un individu, plusieurs traits de fitness, allant du nombre de graines par fruit à la production de gamètes ont été mesurés sur différents stades de vie successifs. L'estimation de la dépression de consanguinité totale atteignait des valeurs allant de 0.52 à 0.76 selon la vallée considérée, ce qui indiquerait que les hermaphrodites ont tout intérêt à limiter l'autofécondation et que les femelles ne devraient pas avoir de peine à subsister dans les vallées étudiées. Par la même occasion des mécanismes diminuant la purge potentielle du fardeau génétique, et permettant ainsi le maintien du « niveau » de dépression de consanguinité et par conséquence le maintien de la gynodïoécie ont été mis en évidence. En effet, nos résultats montrent que la dépression de consanguinité s'exprimait tard dans le cycle de vie permettant ainsi à un certain nombre individus consanguins de transmettre leurs allèles délétères à la génération suivante. D'autre part, la croissance in vivo des tubes polliniques d'auto-pollen était plus lente que celle de l'allo-pollen et donc en situation de compétition directe, les ovules devraient plutôt être issus d'allo-fécondation, diminuant ainsi les chances de purges d'allèles délétères. Enfin, l'apparition de femelles dans la progéniture d'hermaphrodites autofécondés diminue aussi les chances de purge d'allèles délétères. Il nous a été impossible de déterminer si l'apparition de femelles dans la descendance d'hermaphrodites autofécondés était due au déterminisme génétique du sexe ou si la différence de sexe ratio entre la descendance auto- et allo-fécondée était due à une éventuelle dépression de consanguinité inhibant la production de pollen. Nous avons observé que S. vulgaris ne présentaient pas uniquement des hermaphrodites et des femelles mais aussi toute sorte d'individus intermédiaires avec un nombre variable d'étamines viables. Nous avons pu mettre' en évidence des corrélations positives entre (1) la différence de sexe ratio (la proportion d'individus produisant du pollen) entre individus consanguins et non consanguins et une estimation de la dépression de consanguinité pour le nombre d'étamines viables d'individus produisant du pollen, ainsi qu'entre (2) la dépression de consanguinité pour le nombre d'étamines viables et celle estimée pour la viabilité du pollen. Chaque corrélation indique soit l'effet d'un (ou plusieurs) gène(s) pléiotropique(s), soit un déséquilibre de liaison entre les gènes. En considérant que ces corrélations sont le résultat d'effet pléiotropiques, la relation entre le nombre d'étamines viables par fleur et la viabilité du pollen, indiquerait un effet négatif de la consanguinité sur la production et la viabilité du pollen due partiellement à un gène majeur. La seconde corrélation indiquerait soit que les gènes responsables de la détermination du sexe agissent aussi sur l'expression de la fonction mâle soit que l'expression du sexe est sujette à la dépression de consanguinité, ou encore un mélange des deux. Aux regards de ces résultats, Silene vulgaris s'est avéré être un bon modèle de compréhension de l'évolution des systèmes de reproduction vers la séparation des sexes.

Neural networks as mechanisms to regulate division of labor.

Abstract In social insects, workers perform a multitude of tasks, such as foraging, nest construction, and brood rearing, without central control of how work is allocated among individuals. It has been suggested that workers choose a task by responding to stimuli gathered from the environment. Response-threshold models assume that individuals in a colony vary in the stimulus intensity (response threshold) at which they begin to perform the corresponding task. Here we highlight the limitations of these models with respect to colony performance in task allocation. First, we show with analysis and quantitative simulations that the deterministic response-threshold model constrains the workers' behavioral flexibility under some stimulus conditions. Next, we show that the probabilistic response-threshold model fails to explain precise colony responses to varying stimuli. Both of these limitations would be detrimental to colony performance when dynamic and precise task allocation is needed. To address these problems, we propose extensions of the response-threshold model by adding variables that weigh stimuli. We test the extended response-threshold model in a foraging scenario and show in simulations that it results in an efficient task allocation. Finally, we show that response-threshold models can be formulated as artificial neural networks, which consequently provide a comprehensive framework for modeling task allocation in social insects.

Molecular mechanisms of penicillin-induced killing and penicillin tolerance in Streptococcus gordonii

Abstract The main thesis topic relates to the 'molecular mechanisms of penicillin-induced bacterial death. Indeed, bacteria have developed two principal mechanisms to escape the killing effect of ß-lactam antibiotics: resistance and tolerance. Resistant bacteria are characterized by their ability to grow in the presence of drug concentrations higher than the one inhibiting the growth of susceptible members of the same species. Hence, resistant bacteria have an increased minimal inhibitory concentration (MIC) of the drug. Nevertheless, when exposed to antibiotic concentrations exceeding their new MIC, resistant bacteria remain sensitive to the antibiotic killing effect. In contrast, tolerant bacteria have an unchanged MIC. However, they have a considerably increased ability to survive drug-induced killing, even at concentrations exceeding their MIC by several orders of magnitude. In other words, in the presence of the antibiotic, tolerant bacteria become persister cells which stop growing but are not killed. In the present thesis, it is shown that the survival phenotype of a tolerant Streptococcus gordonii strain depends on two components belonging to sugar metabolism pathways. First, the transcription factor CcpA which mediates a global regulatory mechanism allowing bacteria to utilize the most efficient sugar source for their growth. We show that the inactivation of the ccpA gene leads to a partial loss of penicillin tolerance both in vitro and in a rat model of experimental endocarditis. Second, the Enzyme I of the phosphotransferase system which is involved in the uptake and phosphorylation of sugars. Here, we -show that a single nucleotide mutation in ptsI, the gene encoding the Enzyme I, is sufficient to confer a fully tolerant phenotype in S. gordonii both in vivo and in vivo. The mutation results in a radical proline to arginine substitution in the C-terminal domain of the protein, probably leading to a decrease in its homodimerization and subsequent activity. Taken together our results prove that tolerance is a global survival mechanism linked to sugar metabolism. We hypothesize that, in the presence of the antibiotic, the already altered metabolic processes of the tolerant strain are completely inactivated. Hence, bacteria may enter in a dormant state and become insensitive to the bactericidal effect of ß-lactams, which depends on actively dividing cells. This thesis manuscript also contains two other side-projects. The first one establishes that the ability to form a biofilm is not a requisite for the successful establishment of endocarditis due to S. gordonii. The second one characterizes the S. gordonii a-phosphoglucomutase gene, and shows that its inactivation results in a loss of in vitro fitness and in vivo virulence. Résumé Le sujet principal de cette thèse concerne les mécanismes moléculaires de la mort bactérienne induite par la pénicilline. En effet, les bactéries ont développé deux mécanismes principaux pour échapper à l'effet bactéricide des ß-lactamines : la résistance et la tolérance. Les bactéries résistantes sont caractérisées par leur capacité de croître en présence de concentration d'antibiotiques plus élevées que celles inhibant la croissance des organismes sensibles de la même espèce. Les bactéries résistantes ont donc une augmentation de leur concentration minimale inhibitrice (CMI) à l'antibiotique. Néanmoins, quand elles sont exposées à des concentrations dépassant leur nouvelle CMI, elles restent sensibles à l'effet bactéricide. Au contraire, les bactéries tolérantes ont une CMI inchangée. Toutefois, elles ont une très importante capacité à survivre à l'effet bactéricide des ß-lactamines, ceci même à des concentrations excédant leur CMI de plusieurs ordres de grandeur. En d'autres termes, en présence de l'antibiotique, les bactéries tolérantes deviennent des cellules persistantes qui arrêtent leur croissance mais ne sont pas tuées. Dans la présente thèse, il est montré que le phénotype de survie d'un Streptococcus gordonii tolérant dépend de deux composants appartenant aux voies du métabolisme des sucres. Premièrement, le facteur de transcription CcpA qui contrôle un système global de régulation permettant à la bactérie d'utiliser les sources de sucre les plus efficaces pour sa croissance. Il est montré que l'inactivation du gène ccpA résulte en la perte partielle de la tolérance à la pénicilline aussi bien in vitro que dans un modèle d'endocardite expérimentale chez le rat. Deuxièmement, l'Enzyme I du système de phosphotransfert impliqué dans l'import et la phosphorylation des sucres. Nous montrons qu'une mutation ponctuelle d'un nucléotide dans ptsl, le gène codant pour l'Enzyme I, suffit à complètement conférer un phénotype tolérant chez S. gordonii aussi bien in vitro qu'in vivo. La mutation induit la substitution radicale d'une proline en une arginine dans le domaine C-terminal de la protéine, résultant probablement en une diminution de sa capacité d'homodimérisation et donc d'activité. Dans leur ensemble, nos résultats prouvent que la tolérance est un mécanisme global de survie lié au métabolisme des sucres. Nous présentons l'hypothèse que, en présence de l'antibiotique, les processus métaboliques déjà altérés de la souche tolérante deviennent complètement inactifs. En conséquence, les bactéries entreraient dans un état dormant nonréplicatif, devenant ainsi insensibles à l'effet bactéricide des ß-lactamines qui nécessite des cellules en cours de division active. Le manuscrit de cette thèse contient également deux projets secondaires. Le premier montre que la capacité de former un biofilm n'est pas un prérequis pour le succès de l'initiation de l'endocardite à S. gordonii. Le second caractérise le gène de l'a-phosphoglucomutase de S. gordonii et montre que son inactivation résulte en une perte de fitness in vitro et de virulence in vivo.

Analysis of the mechanisms controlling the activity of flp1, a chromosomal passenger protein in the fission Schizosaccharomyces pombe

ABSTRACT In S. cerevisiae, the protein phosphatase Cdc14pwt is essential far mitotic exit through its contribution to reducing mitotic CDK activity. But Cdc14pwt also acts as a mare general temporal coordinator of mid and late mitotic events by controlling the partitioning of DNA, microtubule stability and cytokinesis. Cdc14pwt orthologs are well conserved from yeasts to humans, and sequence comparison revealed the presence of three domains, A, B and C, of which A and B form the catalytic domain. Cdc14pwt orthologs are regulated (in part) through cell cycle dependent changes in their localization. Some of them are thought to be kept inactive by sequestration in the nucleolus during interphase. This is the case for flp1pwt, the single identified Cdc14pwt ortholog in the fission yeast S. pombe. In early mitosis, flp1pwt leaves the nucleolus and localizes to the kinetochores, the contractile ring and the mitotic spindle, suggesting that it has multiple substrates and regulates many mitotic processes. flp1D cells show a high chromosome loss rate and septation defects, suggesting a role for flp1wt in the fidelity of chromosome transmission and cytokinesis. The aim of this study is to characterize the mechanisms underlying flp1pwt functions and the control of its activity. A structure-function analysis has revealed that the presence of both A and B domains is required for biological function and for proper flp1pwt mitotic localization. In contrast, the C domain of flp1pwt is responsible for its proper nucleolar localization in G2/interphase. My data suggest that dephosphorylation of substrates by flp1pwt is not necessary for any changes in localization of flp1pwt except that at the medial ring. In that particular case, the catalytic activity of flp1pwt is required for efficient localization, therefore revealing an additional level of regulation. All the functions of flp1pwt assayed to date require its catalytic activity, emphasizing the importance of further identification of its substrates. As described for other orthologs, the capability of selfinteraction and phosphorylation status might help to control flp1pwt activity. My data suggest that flp1pwt forms oligomers in vivo and that phosphorylation is not essential far localization changes of the protein. In addition, the hypophosphorylated form of flp1pwt might be specifically involved in the promotion of cytokinesis. The results of this study suggest that multiple modes of regulation including localization, selfassociation and phosphorylation allow a fine-tuning regulation of flp1pwt phosphatase activity, and more generally that of Cdc14pwt family of phosphatases. RESUME Chez la levure S. cerevisiae, la protéine phosphatase Cdc14pwt est essentielle pour la sortie de mitose du fait de sa contribution dans la réduction d'activité des CDK mitotiques. Comme elle contrôle également le partage de l'ADN, la stabilité des microtubules et la cytokinèse, Cdc14pwt est en fait considérée comme un coordinateur temporel général des évènements de milieu et de fin de mitose. Les orthologues de Cdc14pwt sont bien conservés, des levures jusqu'à l'espèce humaine. Des comparaisons de séquence ont révélé la présence de trois domaines A, B et C, les deux premiers constituant le domaine catalytique. Ils sont régulés (en partie) via des changements dans leur localisation, eux-mêmes dépendants du cycle cellulaire. Plusieurs de ces orthologues sont supposés inactivés par séquestration dans le nucléole en interphase, ce qui est le cas de flp1pwt le seul orthologue de Cdc14pwt identifié chez la levure fissipare S, pombe. En début de mitose, flp1pwt quitte le nucléole et localise au niveau des kinetochores, de l'anneau contractile d'actine et du fuseau mitotique, ce qui laisse supposer de multiples substrats et fonctions. Comme les cellules délétées pour le gène flp1wt présentent un taux élevé de perte de chromosome et des défauts de septation, flp1pwt semble jouer un rôle dans la fidélité de la transmission du matériel génétique et la cytokinèse. Le but de cette étude est de caractériser les mécanismes impliqués dans les fonctions assurées par flp1pwt d'une part, et dans le contrôle de son activité d'autre part. Une analyse structure-fonction a révélé que la présence simultanée des deux domaines A et B est requise pour la fonction biologique de flp1pwt et sa localisation correcte pendant la mitose. Par contre, le domaine C de flp1pwt confère une localisation nucléolaire adéquate en G2/interphase. Mes données suggèrent que la déphosphorylation de substrats par flp1pwt est dispensable pour sa localisation correcte excepté celle à l'anneau médian, qui requiert dans ce cas, l'activité catalytique de flp1pwt, révélant ainsi un niveau de régulation supplémentaire. Toutes les fonctions de flp1 pwt testées jusqu'à présent nécessitent également son activité catalytique, ce qui accentue l'importance de l'identification future de ses substrats. Comme cela a déjà été décrit pour d'autres orthologues, la capacité d'auto-intéraction et le niveau de phosphorylation pourraient contrôler l'activité de flp1pwt. En effet, mes données suggèrent que flp1pwt forme des oligomères in vivo et que la phosphorylation n'est pas essentielle pour les changements de localisation observés pour la protéine. De plus, la forme hypophosphorylée de flp1pwt pourrait être spécifiquement impliquée dans la promotion de la cytokinèse. De multiples modes de régulation incluant la localisation, l'auto-association et la phosphorylation semblent permettre un contrôle fin et subtil de l'activité de la phosphatase flp1pwt, et plus généralement celle des protéines de la famille de Cdc14pwt.

Proteomic data from human cell cultures refine mechanisms of chaperone-mediated protein homeostasis.

In the crowded environment of human cells, folding of nascent polypeptides and refolding of stress-unfolded proteins is error prone. Accumulation of cytotoxic misfolded and aggregated species may cause cell death, tissue loss, degenerative conformational diseases, and aging. Nevertheless, young cells effectively express a network of molecular chaperones and folding enzymes, termed here "the chaperome," which can prevent formation of potentially harmful misfolded protein conformers and use the energy of adenosine triphosphate (ATP) to rehabilitate already formed toxic aggregates into native functional proteins. In an attempt to extend knowledge of chaperome mechanisms in cellular proteostasis, we performed a meta-analysis of human chaperome using high-throughput proteomic data from 11 immortalized human cell lines. Chaperome polypeptides were about 10 % of total protein mass of human cells, half of which were Hsp90s and Hsp70s. Knowledge of cellular concentrations and ratios among chaperome polypeptides provided a novel basis to understand mechanisms by which the Hsp60, Hsp70, Hsp90, and small heat shock proteins (HSPs), in collaboration with cochaperones and folding enzymes, assist de novo protein folding, import polypeptides into organelles, unfold stress-destabilized toxic conformers, and control the conformal activity of native proteins in the crowded environment of the cell. Proteomic data also provided means to distinguish between stable components of chaperone core machineries and dynamic regulatory cochaperones.

Measurements of glial metabolic fluxes with C-11-acetate using positron emission and an adapted NMR-based metabolic modeling approach

Objectives: Acetate brain metabolism has the particularity to occur specifically in glial cells. Labeling studies, using acetate labeled either with 13C (NMR) or 11C (PET), are governed by the same biochemical reactions and thus follow the same mathematical principles. In this study, the objective was to adapt an NMR acetate brain metabolism model to analyse [1-11C]acetate infusion in rats. Methods: Brain acetate infusion experiments were modeled using a two-compartment model approach used in NMR.1-3 The [1-11C]acetate labeling study was done using a beta scintillator.4 The measured radioactive signal represents the time evolution of the sum of all labeled metabolites in the brain. Using a coincidence counter in parallel, an arterial input curve was measured. The 11C at position C-1 of acetate is metabolized in the first turn of the TCA cycle to the position 5 of glutamate (Figure 1A). Through the neurotransmission process, it is further transported to the position 5 of glutamine and the position 5 of neuronal glutamate. After the second turn of the TCA cycle, tracer from [1-11C]acetate (and also a part from glial [5-11C]glutamate) is transferred to glial [1-11C]glutamate and further to [1-11C]glutamine and neuronal glutamate through the neurotransmission cycle. Brain poster session: oxidative mechanisms S460 Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism (2009) 29, S455-S466 Results: The standard acetate two-pool PET model describes the system by a plasma pool and a tissue pool linked by rate constants. Experimental data are not fully described with only one tissue compartment (Figure 1B). The modified NMR model was fitted successfully to tissue time-activity curves from 6 single animals, by varying the glial mitochondrial fluxes and the neurotransmission flux Vnt. A glial composite rate constant Kgtg=Vgtg/[Ace]plasma was extracted. Considering an average acetate concentration in plasma of 1 mmol/g5 and the negligible additional amount injected, we found an average Vgtg = 0.08±0.02 (n = 6), in agreement with previous NMR measurements.1 The tissue time-activity curve is dominated by glial glutamate and later by glutamine (Figure 1B). Labeling of neuronal pools has a low influence, at least for the 20 mins of beta-probe acquisition. Based on the high diffusivity of CO2 across the blood-brain barrier; 11CO2 is not predominant in the total tissue curve, even if the brain CO2 pool is big compared with other metabolites, due to its strong dilution through unlabeled CO2 from neuronal metabolism and diffusion from plasma. Conclusion: The two-compartment model presented here is also able to fit data of positron emission experiments and to extract specific glial metabolic fluxes. 11C-labeled acetate presents an alternative for faster measurements of glial oxidative metabolism compared to NMR, potentially applicable to human PET imaging. However, to quantify the relative value of the TCA cycle flux compared to the transmitochondrial flux, the chemical sensitivity of NMR is required. PET and NMR are thus complementary.

Temperature-dependent turnovers in sex-determination mechanisms: a quantitative model.

Sex determination is often seen as a dichotomous process: individual sex is assumed to be determined either by genetic (genotypic sex determination, GSD) or by environmental factors (environmental sex determination, ESD), most often temperature (temperature sex determination, TSD). We endorse an alternative view, which sees GSD and TSD as the ends of a continuum. Both effects interact a priori, because temperature can affect gene expression at any step along the sex-determination cascade. We propose to define sex-determination systems at the population- (rather than individual) level, via the proportion of variance in phenotypic sex stemming from genetic versus environmental factors, and we formalize this concept in a quantitative-genetics framework. Sex is seen as a threshold trait underlain by a liability factor, and reaction norms allow modeling interactions between genotypic and temperature effects (seen as the necessary consequences of thermodynamic constraints on the underlying physiological processes). As this formalization shows, temperature changes (due to e.g., climatic changes or range expansions) are expected to provoke turnovers in sex-determination mechanisms, by inducing large-scale sex reversal and thereby sex-ratio selection for alternative sex-determining genes. The frequency of turnovers and prevalence of homomorphic sex chromosomes in cold-blooded vertebrates might thus directly relate to the temperature dependence in sex-determination mechanisms.

Mechanisms of HCF protein proteolytic maturation

Abstract : Post-translational modifications such as proteolytic processing, phosphorylation, and glycosylation, add extra layers of complexity to proteomes and allow a finely tuned regulation of the activity of many proteins. The evolutionarily conserved cell-cycle and transcriptional regulator HCP-] is regulated by proteolytic maturation via which a stable heterodirneric complex of two cleaved subunits is formed from a single precursor protein. The human HCF-1 precursor is cleaved at six nearly identical 26 amino acid sequence repeats, called HCF-1pro repeats, which represent uncommon protease recognition sites dedicated to human HCF-1 proteolysis. This proteolytic maturation process is conserved in vertebrate HCF-1 homologues and is essential for the functions of the human protein in cell-cycle regulation; the mechanisms that execute and control HCF-1 proteolysis, however, remain poorly understood. In this dissertation I investigate the mechanisms of proteolytic maturation of HCF-1 proteins in different species. I show that the Drosophila homolog of human HCF-1, called dHCP, is proteolytically cleaved via a different mechanism than human HCF-1. dHCP is processed by the same protease, called Taspase], which cleaves one of the key developmental regulators in flies, the Trithorax protein. Maturation of HCP proteins via Taspase] cleavage is probably not particular to dHCP as many invertebrate HCP proteins, particularly insects and flatworms, possess Taspase] recognition sites. In contrast, the vertebrate HCF-1 proteins lack Taspase] recognition sites and the HCF-1pro repeats are not Taspase1 substrates, suggesting that multiple mechanisms for HCF-1 proteolytic maturation have appeared during evolution. I also show that the proteolytic activity responsible for the cleavage of the HCP- 1pro repeats is very difficult to characterize, being resistant to most protease inhibitors and very sensitive to biochemical fractionation. Moreover, the HCF-1pro repeats represent complex protease recognition sites and I demonstrate that, in addition to be the HCF-1 cleavage sites, these repeated sequences, also recruit the OG1cNAc transferase OGT. The OGT protein and the OG1cNAc modification of HCF-1 are both important for HCF-1pro repeat proteolysis. Interestingly, a human recombinant OGT purified from insect cells is able to induce cleavage of a HCF-1pro-repeat precursor in vitro, indicating that OGT either (i) induces HCF-1 autoproteolysis,(ii) is the HCF-1pro- repeat proteolytic activity itself, or (iii) physically associates with a proteolytic activity that is conserved in insect cells. In any case, OGT plays an important role in HCF-1 proteolytic maturation and perhaps a broader role in HCF-1 biological function. Résumé : Les modifications post-traductionelles pomme le clivage protéolytique, la phosphorylation, et la glycosylation, augmentent significativement la complexité des protéomes et permettent une régulation fine de l'activité de beaucoup de protéines. La protéine HCF-1, qui est un régulateur du cycle cellulaire et de la transcription, est elle- même régulée par clivage protéolytique. La protéine HCF-1 est en effet coupée en deux sous-unités qui s'associent l'une a l'autre pour former la protéine mature. Le précurseur de la protéine HCF-1 humaine est clivé à six sites correspondant à six séquences répétées nommées les HCF-1pro repeats, chacune composée de 26 acide aminés. Les HCF-1pro- repeats ne ressemblent ai aucune séquence de clivage protéolytique connue et sont présentes seulement dans les protéines HCF-1 chez les vertébrés. Bien que la maturation protéolytique d'HCF-1 soit essentielle pour les activités de cette protéine pendant le cycle cellulaire, les mécanismes qui la contrôlent restent inconnus. Au cours de mon travail de thèse, j'ai analysé les mécanismes de clivage protéolytique des protéines HCF dans différentes espèces. J'ai montré que la protéine de Drosophile homologue d'HCF-1 humaine nommée dHCF est clivée par une protéase nommée Taspase1. Ainsi, dHCF est clivé par la même protéase que celle qui induit la maturation protéolytique d'un des principaux facteurs du développement chez la mouche, la protéine Trithorax. La maturation de dHCF via le clivage par la Taspase1 n'est pas spécifique à la mouche, mais est probablement étendu à plusieurs protéines HCF chez les invertébrés, surtout dans les familles des insectes et des plathehninthes, car ces protéines HCF présentent des sites de reconnaissance pour la Taspasel. Par contre, les protéines HCF-1 chez les vertébrés n'ont pas de sites de reconnaissance pour la Taspasel et cela suggère que différents mécanismes de maturation des protéines HCF- ls ont apparu au cours de l'évolution. J'ai montré aussi que les HCF-1pro-repeats sont clivés par une activité protéolytique très difficile a identifier, car elle est résistante à la plupart des inhibiteurs de protéases, mais elle est très sensible au fractionnement biochimique. En plus, les HCF-1pro-repeats sont un site de protéolyse complexe qui ne sert pas seulement au clivage des protéines HCF- chez les vertébrés mais aussi à recruter l'enzyme responsable de la O- GlcNAcylation nommée OGT. La protéine OGT et la O-GlcNAcylatio d'HCF-1 sont toutes les deux importantes pour le clivage protéolytique des HCF1pro-repeats. Curieusement, la protéine OGT humaine produite dans des cellules d'insectes est capable de cliver les HCF-1pro repeats in vitro et cela suggère que OGT soit (i) induit le clivage autocatalytique cl'HCF-1, soit (ii) est elle-même l'activité protéolytique qui clive HCF4, soit (iii) est associée à une activité protéolytique conservée dans les cellules d'insectes qui a été co-purifiée avec OGT. En conclusion, OGT joue un rôle important dans la maturation protéolytique d'HCF-1 et peut-être aussi un rôle plus large dans les fonctions biologiques de la protéine HCF-1.

La programmmation foetale de la dysfonction vasculaire pulmonaire chez la souris : rôle des mécanismes épigénétiques = Fetal programming of pulmonary vascular dysfunction in mice : role of epigenetic mechanisms

Rapport de synthèseDes événements pathologiques survenant pendant la période foetale prédisposent la descendance aux maladies cardiovasculaires systémiques. Il existe peu de connaissances au sujet de la circulation pulmonaire et encore moins quant aux mécanismes sous-jacents. La sous-alimentation maternelle pendant la grossesse peut représenter un modèle d'investigation de ces mécanismes, parce que chez l'animal et l'homme elle est associée à une dysfonction vasculaire systémique chez la progéniture. Chez le rat, la diète restrictive pendant la grossesse induit une augmentation du stress oxydatif dans le placenta. Les dérivés de l'oxygène sont connus pour induire des altérations épigénétiques et peuvent traverser la barrière placentaire. Nous avons dès lors spéculé que chez la souris la diète restrictive pendant la grossesse induit une dysfonction vasculaire pulmonaire chez sa progéniture qui serait liée à un mécanisme épigénétique.Pour tester cette hypothèse, nous avons examiné la fonction vasculaire pulmonaire et la méthylation de l'ADN pulmonaire à la fin de 2 semaines d'exposition à l'hypoxie chez la progéniture de souris soumises à une diète restrictive pendant la grossesse et des souris contrôles. Nous avons trouvé que la vasodilatation endothélium-dépendante de l'artère pulmonaire in vitro était défectueuse, et que l'hypertension pulmonaire et l'hypertrophie ventriculaire droite induites par l'hypoxie in vivo étaient exagérées chez la progéniture de souris soumises à une diète restrictive pendant la grossesse. Cette dysfonction vasculaire pulmonaire était associée avec une altération de la méthylation de l'ADN pulmonaire. L'administration d'inhibiteurs de la déacétylase des histones, le Butyrate et la Trichostatine-A à la progéniture de souris soumises à une diète restrictive pendant la grossesse a normalisé la méthylation de l'ADN et la fonction vasculaire pulmonaire. Finalement, l'administration du nitroxyde Tempol aux mères durant la diète restrictive pendant la grossesse a prévenu la dysfonction vasculaire et la dysméthylation chez la progéniture.Ces découvertes démontrent que chez la souris la sous-alimentation pendant la gestation induit une dysfonction vasculaire chez la progéniture qui est causée par un mécanisme épigénétique. Il est possible qu'un mécanisme similaire soit impliqué dans la programmation foetale de la dysfonction vasculaire chez les humains.