Regulation of dendritic development by neurotrophic factors

AbstractEstablishment of a functional nervous system occurs through an orchestrated multistep process during embryogenesis. As dendrites are the primary sites of synaptic connections, development of dendritic arborization is essential for the formation of functional neural circuits. Maturation of dendritic arbor occurs through dynamic processes that are regulated by intrinsic genetic factors and external signals, such as environmental stimuli, neuronal activity and growth factors. Among the latter, the neurotrophic factor BDNF is a key regulator of dendritic growth. However, the mechanisms by which BDNF controls dendritic development remain elusive.In this study, we first showed that activation of the MAPK signaling pathway and phosphorylation of the transcription factor CREB are required to mediate the effects of BDNF on dendritic development of cortical neurons. However, phosphorylation of CREB alone is not sufficient to induce dendritic growth in response to BDNF. Thus, by using a mutant form of CREB unable to bind its coactivator CRTC1, we demonstrated that BDNF-induced dendritic elaboration requires the functional interaction between CREB and CRTC1. Consistent with these observations, inhibition of CRTC1 expression by shRNA-mediated knockdown was found to suppress the effects of BDNF on dendritic length and branching of cortical neurons.The nuclear translocation of CRTC1, a step necessary for the interaction between CREB and CRTC1, was shown to result from the activation of NMD A receptors by glutamate, leading to the dephosphorylation of CRTC1 by the protein phosphatase calcineurin. In line with these findings, prevention of CRTC1 nuclear translocation in the absence of glutamate, or by inhibiting NMDA receptors or calcineurin suppressed the promotion of dendritic growth by BDNF.Increasing evidence supports a role for the growth factor HGF in the regulation of dendritic morphology during brain development. Despite these observations, little is known about the cellular mechanisms underlying the effects of HGF on dendritic elaboration of cortical neurons. The second part of this study was aimed at elucidating the cellular processes that mediate the effects of HGF on dendritic differentiation. We found that HGF increases cortical dendritic growth through mechanisms that involve MAPK-dependent phosphorylation of CREB, and interaction of CREB with its coactivator CRTC1. These data indicate that the mechanisms underlying the promotion of dendritic growth by HGF are similar to those that mediate the effects of BDNF, suggesting that the role of CREB and CRTC1 in the regulation of dendritic development may not be limited to HGF and BDNF, but may extend to other neurotrophic factors that control dendritic differentiation.Together, these results identify a previously unrecognized mechanism by which CREB and its coactivator CRTC1 mediate the effects of BDNF and HGF on dendritic growth of cortical neurons. Moreover, these data highlight the important role of the cooperation between BDNF/HGF and glutamate that converges on CREB to stimulate the expression of genes that contribute to the development of dendritic arborization.RésuméL'établissement d'un système nerveux fonctionnel s'accomplit grâce à des mécanismes précis, orchestrés en plusieurs étapes au cours de l'embryogenèse. Les dendrites étant les principaux sites de connexions synaptiques, le développement de l'arborisation dendritique est essentiel à la formation de circuits neuronaux fonctionnels. La maturation de l'arbre dendritique s'effectue grâce à des processus dynamiques qui sont régulés par des facteurs génétiques intrinsèques ainsi que par des facteurs externes tels que les stimuli environnementaux, l'activité neuronale ou les facteurs de croissance. Parmi ces derniers, le facteur neurotrophique BDNF est - connu pour être un régulateur clé de la croissance dendritique. Cependant, les mécanismes par lesquels BDNF contrôle le développement dendritique demeurent mal connus.Au cours de cette étude, nous avons montré dans un premier temps que l'activation de la voie de signalisation de la MAPK et la phosphorylation du facteur de transcription CREB sont nécessaires aux effets du BDNF sur le développement dendritique des neurones corticaux. Toutefois, la phosphorylation de CREB en tant que telle n'est pas sûffisante pour permettre la pousse des dendrites en réponse au BDNF. Ainsi, en utilisant une forme mutée de CREB incapable de se lier à son coactivateur CRTC1, nous avons démontré que l'élaboration des dendrites induite par le BDNF nécessite également une interaction fonctionnelle entre CREB et CRTC1. Ces résultats ont été confirmés par d'autres expériences qui ont montré que l'inhibition de l'expression de CRTC1 par l'intermédiaire de shRNA supprime les effets du BDNF sur la longueur et le branchement dendritique des neurones corticaux.Les résultats obtenus au cours de ce travail montrent également que la translocation nucléaire de CRTC1, qui est une étape nécessaire à l'interaction entre CREB et CRTC1, résulte de l'activation des récepteurs NMDA par le glutamate, entraînant la déphosphorylation de CRTC1 par la protéine phosphatase calcineurine. De plus, le blocage de la translocation nucléaire de CRTC1 en absence de glutamate, ou suite à l'inhibition des récepteurs NMDA ou de la calcineurine, supprime complètement la pousse des dendrites induite par le BDNF.De nombreuses d'évidences indiquent que le facteur de croissance HGF joue également un rôle important dans la régulation de la morphologie dendritique au cours du développement cérébral. Malgré ces observations, peu d'éléments sont connus quant aux mécanismes cellulaires qui sous-tendent les effets du HGF sur la croissance dendritique des neurones corticaux. Le but de la seconde partie de cette étude a eu pour but d'élucider les processus cellulaires responsables des effets du HGF sur la différenciation dendritique des neurones corticaux. Au cours de ces expériences, nous avons pu mettre en évidence que le HGF induit la pousse dendritique par des mécanismes qui impliquent la phosphorylation de CREB par la MAPK, et l'interaction de CREB avec son coactivateur CRTC1. Ces données indiquent que les mécanismes impliqués dans la stimulation de la croissance dendritique par le HGF sont similaires à ceux régulant les effets du BDNF, ce qui suggère que le rôle de CREB et de CRTC1 dans la régulation du développement dendritique n'est vraisemblablement pas limité aux effets du HGF ou du BDNF, mais pourrait s'étendre à d'autres facteurs neurotrophiques qui contrôlent la différenciation dendritique.En conclusion, ces résultats ont permis l'identification d'un nouveau mécanisme par lequel CREB et son coactivateur CRTC1 transmettent les effets du BDNF et du HGF sur la croissance dendritique de neurones corticaux. Ces observations mettent également en évidence le rôle important joué par la coopération entre BDNF/HGF et le glutamate, dans l'activation de CREB ainsi que dans l'expression de gènes qui participent au développement de l'arborisation dendritique des neurones corticaux.

Structural determinants involved in the activation and regulation of G protein-coupled receptors: lessons from the alpha1-adrenegic receptor subtypes.

The aim of a large number of studies on G protein-coupled receptors was centered on understanding the structural basis of their main functional properties. Here, we will briefly review the results obtained on the alpha1-adrenergic receptor subtypes belonging to the rhodopsin-like family of receptors. These findings contribute, on the one hand, to further understand the molecular basis of adrenergic transmission and, on the other, to provide some generalities on the structure-functional relationship of G protein-coupled receptors.

Antagonistic regulation of a proline-rich transcription factor by transforming growth factor beta and tumor necrosis factor alpha.

Transforming growth factor beta (TGF-beta) and tumor necrosis factor alpha (TNF-alpha) often exhibit antagonistic actions on the regulation of various activities such as immune responses, cell growth, and gene expression. However, the molecular mechanisms involved in the mutually opposing effects of TGF-beta and TNF-alpha are unknown. Here, we report that binding sites for the transcription factor CTF/NF-I mediate antagonistic TGF-beta and TNF-alpha transcriptional regulation in NIH3T3 fibroblasts. TGF-beta induces the proline-rich transactivation domain of specific CTF/NF-I family members, such as CTF-1, whereas TNF-alpha represses both the uninduced as well as the TGF-beta-induced CTF-1 transcriptional activity. CTF-1 is thus the first transcription factor reported to be repressed by TNF-alpha. The previously identified TGF-beta-responsive domain in the proline-rich transcriptional activation sequence of CTF-1 mediates both transcriptional induction and repression by the two growth factors. Analysis of potential signal transduction intermediates does not support a role for known mediators of TNF-alpha action, such as arachidonic acid, in CTF-1 regulation. However, overexpression of oncogenic forms of the small GTPase Ras or of the Raf-1 kinase represses CTF-1 transcriptional activity, as does TNF-alpha. Furthermore, TNF-alpha is unable to repress CTF-1 activity in NIH3T3 cells overexpressing ras or raf, suggesting that TNF-alpha regulates CTF-1 by a Ras-Raf kinase-dependent pathway. Mutagenesis studies demonstrated that the CTF-1 TGF-beta-responsive domain is not the primary target of regulatory phosphorylations. Interestingly, however, the domain mediating TGF-beta and TNF-alpha antagonistic regulation overlapped precisely the previously identified histone H3 interaction domain of CTF-1. These results identify CTF-1 as a molecular target of mutually antagonistic TGF-beta and TNF-alpha regulation, and they further suggest a molecular mechanism for the opposing effects of these growth factors on gene expression.

Developmental regulation of expression of schizophrenia susceptibility genes in the primate hippocampal formation

The hippocampal formation is essential for normal memory function and is implicated in many neurodevelopmental, neurodegenerative and neuropsychiatric disorders. In particular, abnormalities in hippocampal structure and function have been identified in schizophrenic subjects. Schizophrenia has a strong polygenic component, but the role of numerous susceptibility genes in normal brain development and function has yet to be investigated. Here we described the expression of schizophrenia susceptibility genes in distinct regions of the monkey hippocampal formation during early postnatal development. We found that, as compared with other genes, schizophrenia susceptibility genes exhibit a differential regulation of expression in the dentate gyrus, CA3 and CA1, over the course of postnatal development. A number of these genes involved in synaptic transmission and dendritic morphology exhibit a developmental decrease of expression in CA3. Abnormal CA3 synaptic organization observed in schizophrenics might be related to some specific symptoms, such as loosening of association. Interestingly, changes in gene expression in CA3 might occur at a time possibly corresponding to the late appearance of the first clinical symptoms. We also found earlier changes in expression of schizophrenia susceptibility genes in CA1, which might be linked to prodromal psychotic symptoms. A number of schizophrenia susceptibility genes including APOE, BDNF, MTHFR and SLC6A4 are involved in other disorders, and thus likely contribute to nonspecific changes in hippocampal structure and function that must be combined with the dysregulation of other genes in order to lead to schizophrenia pathogenesis.

Regulation of sodium transport in the cortical collecting duct : physiological role of GILZ in vitro and in vivo : characterisation of Na+ transport in the mCCDcl1 cell line

SUMMARY Regulation of sodium excretion by the kidney is a key mechanism in the long term regulation of blood pressure, and when altered it constitutes a risk factor for the appearance of arterial hypertension. Aldosterone, which secretion depends upon salt intake in the diet, is a steroid hormone that regulates sodium reabsorption in the distal part of the nephron (functional unit of the kidney) by modulating gene transcription. It has been shown that it can act synergistically with the peptidic hormone insulin through the interaction of their signalisation pathways. Our work consisted of two distinct parts: 1) the in vitro and in vivo characterisation of Glucocorticoid-Induced Leucine Zipper (GILZ) (an aldosterone-induced gene) mechanism of action; 2) the in vitro characterisation of insulin mechanism of action and its interaction with aldosterone. GILZ mRNA, coded by the TSC22D3 gene, is strongly induced by aldosterone in the cell line of principal cells of the cortical collecting duct (CCD) mpkCCDc14, suggesting that GILZ is a mediator of aldosterone response. Co-expression of GILZ and the amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC in vitro in the Xenopus oocyte expression system showed that GILZ has no direct effect on the ENaC-mediated Na+ current in basal conditions. To define the role of GILZ in the kidney and in other organs (colon, heart, skin, etc.), a conditional knock-out mouse is being produced and will allow the in vivo study of its role. Previous data showed that insulin induced a transepithelial sodium transport at supraphysiological concentrations. Insulin and the insulin-like growth factor 1 (IGF-1) are able to bind to each other receptor with an affinity 50 to 100 times lower than to their cognate receptor. Our starting hypothesis was that the insulin effect observed at these supraphysiological concentrations is actually mediated by the IGF receptor type 1 (IGF-1R). In a new cell line that presents all the characteristics of the principal cells of the CCD (mCCDc11) we have shown that both insulin and IGF-1 induce a physiologically significant increase of Na+ transport through the activation of IGF-1R. Aldosterone and insulin/IGF-1 have an additive effect on Na+ transport, through the activation of the PI3-kinase (PI3-K) pathway and the phosphorylation of the serum- and glucocorticoid-induced kinase 1 (Sgk1) by the IGF-1R, and the induction of Sgk1 expression by aldosterone. Thus, Sgk1 integrates IGF-1/insulin and aldosterone effects. We suggest that IGF-1 is physiologically relevant in the modulation of sodium balance, while insulin can only regulate Na+ transport at supraphysiological conditions. Both hormones would bind to the IGF-1R and induce Na+ transport by activating the PI3-K PDK1/2 - Sgk1 pathway. We have shown for the first time that Sgk1 is expressed and phosphorylated in principal cells of the CCD in basal conditions, although the mechanism that maintains Sgk1 phosphorylation is not known. This new role for IGF-1 suggests that it could be a salt susceptibility gene. In effect, IGF-1 stimulates Na+ and water transport in the kidney in vivo. Moreover, 35 % of the acromegalic patients (overproduction of growth hormone and IGF-1) are hypertensives (higher proportion than in normal population), and genetic analysis suggest a link between the IGF-1 gene locus and blood pressure. RÉSUMÉ La régulation de l'excrétion rénale de sodium (Na+) joue un rôle principal dans le contrôle à long terme de la pression sanguine, et ses altérations constituent un facteur de risque de l'apparition d'une hypertension artérielle. L'aldosterone, dont la sécrétion dépend de l'apport en sel dans la diète, est une hormone stéroïdienne qui régule la réabsorption de Na+ dans la partie distale du nephron (unité fonctionnelle du rein) en contrôlant la transcription de gènes. Elle peut agir de façon synergistique avec l'hormone peptidique insuline, probablement via l'interaction de leurs voies de signalisation cellulaire. Le but de notre travail comportait deux volets: 1) caractériser in vitro et in vivo le mécanisme d'action du Glucocorticoid Induced Leucine Zipper (GILZ) (un gène induit par l'aldosterone); 2) caractériser in vitro le mécanisme d'action de l'insuline et son interaction avec l'aldosterone. L'ARNm de GILZ, codé par le gène TSC22D3, est induit par l'aldosterone dans la lignée cellulaire de cellules principales du tubule collecteur cortical (CCD) mpkCCDc14, suggérant que GILZ est un médiateur potentiel de la réponse à l'aldosterone. La co-expression in vitro de GILZ et du canal à Na+ sensible à l'amiloride ENaC dans le système d'expression de l'oocyte de Xénope a montré que GILZ n'a pas d'effet sur les courants sodiques véhiculées par ENaC en conditions basales. Une souris knock-out conditionnelle de GILZ est en train d'être produite et permettra l'étude in vivo de son rôle dans le rein et d'autres organes. Des expériences préliminaires ont montré que l'insuline induit un transport transépithelial de Na+ à des concentrations supraphysiologiques. L'insuline et l'insulin-like growth factor 1 (IGF-1) peuvent se lier à leurs récepteurs réciproques avec une affinité 50 à 100 fois moindre qu'à leur propre récepteur. Nous avons donc proposé que l'effet de l'insuline soit médié par le récepteur à l'IGF type 1 (IGF-1R). Dans une nouvelle lignée cellulaire qui présente toutes les caractéristiques des cellules principales du CCD (mCCDc11) nous avons montré que les deux hormones induisent une augmentation physiologiquement significative du transport du Na+ par l'activation des IGF-1 R. Aldosterone et insuline/IGF-1 ont un effet additif sur le transport de Na+, via l'activation de la voie de la PI3-kinase et la phosphorylation de la serum- and glucocorticoid-induced kinase 1 (Sgk1) par l'IGF-1R, dont l'expression est induite par l'aldosterone. Sgk1 intègre les effets de l'insuline et l'aldosterone. Nous proposons que l'IGF-1 joue un rôle dans la modulation physiologique de la balance sodique, tandis que l'insuline régule le transport de Na+ à des concentrations supraphysiologiques. Les deux hormones agissent en se liant à l'IGF-1R et induisent le transport de Na+ en activant la cascade de signalisation PI3-K - PDK1/2 - Sgk1. Nous avons montré pour la première fois que Sgk1 est exprimée et phosphorylée dans des conditions basales dans les cellules principales du CCD, mais le mécanisme qui maintient sa phosphorylation n'est pas connu. Ce nouveau rôle pour l'IGF-1 suggère qu'il pourrait être un gène impliqué de susceptibilité au sel. Aussi, l'IGF-1 stimule le transport rénal de Na+ in vivo. De plus, 35 % des patients atteints d'acromégalie (surproduction d'hormone de croissance et d'IGF-1) sont hypertensifs (prévalence plus élevée que la population normale), et des analyses génétiques suggèrent un lien entre le locus du gène de l'IGF-1 et la pression sanguine. RÉSUMÉ GRAND PUBLIC Nos ancêtres se sont génétiquement adaptés pendant des centaines de millénaires à un environnement pauvre en sel (chlorure de sodium) dans la savane équatoriale, où ils consommaient moins de 0,1 gramme de sel par jour. On a commencé à ajouter du sel aux aliments avec l'apparition de l'agriculture (il y a 5000 à 10000 années), et aujourd'hui une diète omnivore, qui inclut des plats préparés, contient plusieurs fois la quantité de sodium nécessaire pour notre fonction physiologique normale (environ 10 grammes par jour). Le corps garde sa concentration constante dans le sang en s'adaptant à une consommation très variable de sel. Pour ceci, il module son excrétion soit directement, soit en sécrétant des hormones régulatrices. Le rein joue un rôle principal dans cette régulation puisque l'excrétion urinaire de sel change selon la diète et peut aller d'une quantité dérisoire à plus de 36 grammes par jour. L'attention qu'on prête au sel est liée à sa relation avec l'hypertension essentielle. Ainsi, le contrôle rénal de l'excrétion de sodium et d'eau est le principal mécanisme dans la régulation de la pression sanguine, et une ingestion excessive de sel pourrait être l'un des facteurs-clé déclenchant l'apparition d'un phénotype hypertensif. L'hormone aldosterone diminue l'excrétion de sodium par le rein en modulant l'expression de gènes qui pourraient être impliqués dans la sensibilité au sel. Dans une lignée cellulaire de rein l'expression du gène TSC22D3, qui se traduit en la protéine Glucocorticoid Induced Leucine Zipper (GILZ), est fortement induite par l'aldosterone. Ceci suggère que GILZ est un médiateur potentiel de l'effet de l'aldosterone, et pourrait être impliqué dans la sensibilité au sel. Pour analyser la fonction de GILZ dans le rein plusieurs approches ont été utilisées. Par exemple, une souris dans laquelle GILZ est spécifiquement inactivé dans le rein est en train d'être produite et permettra l'étude du rôle de GILZ dans l'organisme. De plus, on a montré que GILZ, en conditions basales, n'a pas d'effet direct sur la protéine transportant le sodium à travers la membrane des cellules, le canal sodique épithélial ENaC. On a aussi essayé de trouver des protéines qui interagissent directement avec GILZ utilisant une technique appelée du « double-hybride dans la levure », mais aucun candidat n'a émergé. Des études ont montré que, à de hautes concentrations, l'insuline peut aussi diminuer l'excrétion de sodium. A ces concentrations, elle peut activer son récepteur spécifique, mais aussi le récepteur d'une autre hormone, l'Insulin-Like Growth Factor 1 (IGF-1). En plus, l'infusion d'IGF-1 augmente la rétention rénale de sodium et d'eau, et des mutations du gène codant pour l'IGF-1 sont liées aux différents niveaux de pression sanguine. On a utilisé une nouvelle lignée cellulaire de rein développée dans notre laboratoire, appelée mCCDc11, pour analyser l'importance relative des deux hormones dans l'induction du transport de sodium. On a montré que les deux hormones induisent une augmentation significative du transport de sodium par l'activation de récepteurs à l'IGF-1 et non du récepteur à l'insuline. On a montré qu'à l'intérieur de la cellule leur activation induit une augmentation du transport sodique par le biais du canal ENaC en modifiant la quantité de phosphates fixés sur la protéine Serumand Glucocorticoid-induced Kinase 1 (Sgk1). On a finalement montré que l'IGF-1 et l'aldosterone ont un effet additif sur le transport de sodium en agissant toutes les deux sur Sgk1, qui intègre leurs effets dans le contrôle du transport de sodium dans le rein.

Mineralocorticoid receptor is essential for corticosteroid-induced up-regulation of L-type calcium currents in cultured neonatal cardiomyocytes.

Despite the fact that mineralocorticoid receptor (MR) antagonist drugs such as spironolactone and eplerenone reduce the mortality in heart failure patients, there is, thus far, no unambiguous demonstration of a functional role of MR in cardiac cells. The aim of this work was to investigate the activation pathway(s) mediating corticosteroid-induced up-regulation of cardiac calcium current (ICa). In this study, using neonatal cardiomyocytes from MR or glucocorticoid receptor (GR) knockout (KO) mice, we show that MR is essential for corticosteroid-induced up-regulation of ICa. This study provides the first direct and unequivocal evidence for MR function in the heart.

Regulation of the transforming growth factor beta-responsive transcription factor CTF-1 by calcineurin and calcium/calmodulin-dependent protein kinase IV.

Transforming growth factor beta (TGF-beta) is a pluripotent peptide hormone that regulates various cellular activities, including growth, differentiation, and extracellular matrix protein gene expression. We previously showed that TGF-beta induces the transcriptional activation domain (TAD) of CTF-1, the prototypic member of the CTF/NF-I family of transcription factors. This induction correlates with the proposed role of CTF/NF-I binding sites in collagen gene induction by TGF-beta. However, the mechanisms of TGF-beta signal transduction remain poorly understood. Here, we analyzed the role of free calcium signaling in the induction of CTF-1 transcriptional activity by TGF-beta. We found that TGF-beta stimulates calcium influx and mediates an increase of the cytoplasmic calcium concentration in NIH3T3 cells. TGF-beta induction of CTF-1 is inhibited in cells pretreated with thapsigargin, which depletes the endoplasmic reticulum calcium stores, thus further arguing for the potential relevance of calcium mobilization in TGF-beta action. Consistent with this possibility, expression of a constitutively active form of the calcium/calmodulin-dependent phosphatase calcineurin or of the calcium/calmodulin-dependent kinase IV (DeltaCaMKIV) specifically induces the CTF-1 TAD and the endogenous mouse CTF/NF-I proteins. Both calcineurin- and DeltaCaMKIV-mediated induction require the previously identified TGF-beta-responsive domain of CTF-1. The immunosuppressants cyclosporin A and FK506 abolish calcineurin-mediated induction of CTF-1 activity. However, TGF-beta still induces the CTF-1 TAD in cells treated with these compounds or in cells overexpressing both calcineurin and DeltaCaMKIV, suggesting that other calcium-sensitive enzymes might mediate TGF-beta action. These results identify CTF/NF-I as a novel calcium signaling pathway-responsive transcription factor and further suggest multiple molecular mechanisms for the induction of CTF/NF-I transcriptional activity by growth factors.

GacS sensor domains pertinent to the regulation of exoproduct formation and to the biocontrol potential of Pseudomonas fluorescens CHA0.

In the root-colonizing biocontrol strain CHA0 of Pseudomonas fluorescens, cell density-dependent synthesis of extracellular, plant-beneficial secondary metabolites and enzymes is positively regulated by the GacS/GacA two-component system. Mutational analysis of the GacS sensor kinase using improved single-copy vectors showed that inactivation of each of the three conserved phosphate acceptor sites caused an exoproduct null phenotype (GacS-), whereas deletion of the periplasmic loop domain had no significant effect on the expression of exoproduct genes. Strain CHA0 is known to synthesize a solvent-extractable extracellular signal that advances and enhances the expression of exoproduct genes during the transition from exponential to stationary growth phase when maximal exoproduct formation occurs. Mutational inactivation of either GacS or its cognate response regulator GacA abolished the strain's response to added signal. Deletion of the linker domain of the GacS sensor kinase caused signal-independent, strongly elevated expression of exoproduct genes at low cell densities. In contrast to the wild-type strain CHA0, the gacS linker mutant and a gacS null mutant were unable to protect tomato plants from crown and root rot caused by Fusarium oxysporum f. sp. radicis-lycopersici in a soil-less microcosm, indicating that, at least in this plant-pathogen system, there is no advantage in using a signal-independent biocontrol strain.

Regulation of the AKAP-LBC signaling complex : molecular characterization and functional implications

RÉSUMÉ Les protéines d'ancrage de la protéine kinase A (AKAPs) constituent une grande famille de protéines qui ciblent la protéine kinase A (PKA) à proximité de ses substrats physiologiques pour assurer leur régulation. Une nouvelle protéine de cette famille, appelée AKAP-Lbc, a été récemment caractérisée et fonctionne comme un facteur d'échange de nucléotides guanine (GEF) pour la petite GTPase Rho. AKAP-Lbc est régulée par différents signaux qui activent et désactivent son activité Rho-GEF. Son activation est assurée par la sous-unité alpha de la protéine G hétérotrimérique G12, tandis que son inhibition dépend de son interaction avec la PKA et 14-3-3. AKAP-Lbc est principalement exprimée dans le coeur et pourrait réguler des processus importants tels que l'hypertrophie et la différenciation des cardiomyocytes. Ainsi, il est crucial d'élucider les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de son activité Rho-GEF. Le but général de ce travail de thèse est la caractérisation de deux nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation de l'activité de AKAP-Lbc. Le premier mécanisme consiste en la régulation de l'activité de AKAP-Lbc par son homo-oligomérisation. Mes travaux montrent que l'homo-oligomérisation maintient AKAP-Lbc inactive, dans une conformation permettant à la PKA ancrée et à 14-3-3 d'exercer leur effet inhibiteur sur l'activité de AKAP-Lbc. Le second mécanisme concerne la régulation de l'activité de AKAP-Lbc via une nouvelle interaction entre AKAP-Lbc et la protéine LC3. LC3 joue un rôle crucial dans l'autophagie, un processus cellulaire qui adresse les protéines cytoplasmiques au lysosome pour leur dégradation. Ce mécanisme est particulièrement important pour le survie des cardiomyocytes durant les périodes d'absence de nutriments. Mes travaux mettent en évidence que LC3 inhibe l'activité Rho-GEF de AKAP-Lbc, ce qui suggère que, au-delà son rôle bien établi dans l'autophagie, LC3 participerait à la régulation de la signalisation de Rho. Prises ensembles, ces études contribuent à comprendre comment le complexe de signalisation formé par AKAP-Lbc régule la signalisation de Rho dans les cellules. Au-delà de leur intérêt au niveau biochimique, ces travaux pourraient aussi contribuer à élucider les réseaux de signalisation qui régulent des phénomènes physiologiques dans le coeur. ABSTRACT A-kinase anchoring proteins (AKAPs) are a group of functionally related proteins, which target the cAMP dependent protein kinase A (PKA) in close proximity to its physiological substrates for ensuring their regulation. A novel PKA anchoring protein, termed AKAP-Lbc, has been recently characterized, which also functions as a guanine nucleotide exchange factor (GEF) for the small GTPase Rho. AKAP-Lbc is regulated in a bi-directional manner by signals which activate or deactivate its Rho-GEF activity. Activation is mediated by the alpha subunit of the heterotrimeric G protein G12, whereas inhibition occurs following its interaction with PKA and 14-3-3. AKAP-Lbc is predominantly expressed in the heart and might regulate important processes such as hypertrophy and differentiation of cardiomyocytes. Therefore ít is crucial to elucidate the molecular mechanisms involved in the regulation of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. The general aim of the present thesis work is the characterization of two novel molecular mechanisms involved in the regulation of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. The first mechanism consists of the. regulation of AKAP-Lbc activity through its homooligomerization. I report here that homo-oligomerization maintains AKAP-Lbc inactive, under a conformation suitable for ensuring the inhibitory effect of anchored PKA and 14-33 on AKAP-Lbc activity. The second mechanism concerns the regulation of AKAP-Lbc activity through a novel interaction between AKAP-Lbc and ubiquitin-like protein LC3. LC3 is a key mediator of autophagy, which is a cellular process that targets cytosolic proteins to the lysosome for degradation. This process is particularly important for cardiomyocyte survival during conditions of nutrient starvation. Here, I show that LC3 is a negative regulator of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc, which suggests that, beyond its well established role in autophagy, LC3 can participate in the regulation of Rho signaling in cells. Overall, these findings contribute to understand how the AKAP-Lbc signaling complex can regulate the Rho signaling in cells. Beyond its interest at the biochemical level, this work might also contribute to elucidate the signaling network that regulate physiological events in the heart.

Hyperammonemia: regulation of argininosuccinate synthetase and argininosuccinate lyase genes in aggregating cell cultures of fetal rat brain.

Hyperammonemia in the brain leads to poorly understood alterations of nitric oxide (NO) synthesis. Arginine, the substrate of nitric oxide synthases, might be recycled from the citrulline produced with NO by argininosuccinate synthetase (AS) and argininosuccinate lyase (AL). The regulation of AS and AL genes during hyperammonemia is unknown in the brain. We used brain cell aggregates cultured from dissociated telencephalic cortex of rat embryos to analyze the regulation of AS and AL genes in hyperammonemia. Using RNase protection assay and non-radioactive in situ hybridization on aggregate cryosections, we show that both AS and AL genes are induced in astrocytes but not in neurons of aggregates exposed to 5 mM NH4Cl. Our work suggests that the hyperammonemic brain might increase its recycling of citrulline to arginine.

IL-10 controls cystatin C synthesis and blood concentration in response to inflammation through regulation of IFN regulatory factor 8 expression.

Cystatin C (CstC) is a cysteine protease inhibitor of major clinical importance. Low concentration of serum CstC is linked to atherosclerosis. CstC can prevent formation of amyloid β associated with Alzheimer's disease and can itself form toxic aggregates. CstC regulates NO secretion by macrophages and is a TGF-β antagonist. Finally, the serum concentration of CstC is an indicator of kidney function. Yet, little is known about the regulation of CstC expression in vivo. In this study, we demonstrate that the transcription factor IFN regulatory factor 8 (IRF-8) is critical for CstC expression in primary dendritic cells. Only those cells with IRF-8 bound to the CstC gene promoter expressed high levels of the inhibitor. Secretion of IL-10 in response to inflammatory stimuli downregulated IRF-8 expression and consequently CstC synthesis in vivo. Furthermore, the serum concentration of CstC decreased in an IL-10-dependent manner in mice treated with the TLR9 agonist CpG. CstC synthesis is therefore more tightly regulated than hitherto recognized. The mechanisms involved in this regulation might be targeted to alter CstC production, with potential therapeutic value. Our results also indicate that caution should be exerted when using the concentration of serum CstC as an indicator of kidney function in conditions in which inflammation may alter CstC production.

Molecular and social regulation of worker division of labour in fire ants.

Reproductive and worker division of labour (DOL) is a hallmark of social insect societies. Despite a long-standing interest in worker DOL, the molecular mechanisms regulating this process have only been investigated in detail in honey bees, and little is known about the regulatory mechanisms operating in other social insects. In the fire ant Solenopsis invicta, one of the most studied ant species, workers are permanently sterile and the tasks performed are modulated by the worker's internal state (age and size) and the outside environment (social environment), which potentially includes the effect of the queen presence through chemical communication via pheromones. However, the molecular mechanisms underpinning these processes are unknown. Using a whole-genome microarray platform, we characterized the molecular basis for worker DOL and we explored how a drastic change in the social environment (i.e. the sudden loss of the queen) affects global gene expression patterns of worker ants. We identified numerous genes differentially expressed between foraging and nonforaging workers in queenright colonies. With a few exceptions, these genes appear to be distinct from those involved in DOL in bees and wasps. Interestingly, after the queen was removed, foraging workers were no longer distinct from nonforaging workers at the transcriptomic level. Furthermore, few expression differences were detected between queenright and queenless workers when we did not consider the task performed. Thus, the social condition of the colony (queenless vs. queenright) appears to impact the molecular pathways underlying worker task performance, providing strong evidence for social regulation of DOL in S. invicta.

Tissue-specific opposing functions of the inflammasome adaptor ASC in the regulation of epithelial skin carcinogenesis.

A chronic inflammatory microenvironment favors tumor progression through molecular mechanisms that are still incompletely defined. In inflammation-induced skin cancers, IL-1 receptor- or caspase-1-deficient mice, or mice specifically deficient for the inflammasome adaptor protein ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD) in myeloid cells, had reduced tumor incidence, pointing to a role for IL-1 signaling and inflammasome activation in tumor development. However, mice fully deficient for ASC were not protected, and mice specifically deficient for ASC in keratinocytes developed more tumors than controls, suggesting that, in contrast to its proinflammatory role in myeloid cells, ASC acts as a tumor-suppressor in keratinocytes. Accordingly, ASC protein expression was lost in human cutaneous squamous cell carcinoma, but not in psoriatic skin lesions. Stimulation of primary mouse keratinocytes or the human keratinocyte cell line HaCaT with UVB induced an ASC-dependent phosphorylation of p53 and expression of p53 target genes. In HaCaT cells, ASC interacted with p53 at the endogenous level upon UVB irradiation. Thus, ASC in different tissues may influence tumor growth in opposite directions: it has a proinflammatory role in infiltrating cells that favors tumor development, but it also limits keratinocyte proliferation in response to noxious stimuli, possibly through p53 activation, which helps suppressing tumors.

Regulation of mass and function of pancreatic β-cells: identification of anti-apoptotic peptides and role of GLP-1

Résumé La masse de cellules β sécrétrices d'insuline est un tissu dynamique qui s'adapte aux variations de la demande métabolique pour assurer une normoglycémie. Cette adaptation se fait par un changement de sécrétion d'insuline et de la masse totale des cellules β. Une perte complète ou partielle des cellules β conduit respectivement à un diabète de type 1 et de type 2. Les mécanismes qui régulent la masse de cellules β et maintiennent leur phénotype differencié sont encore peu connus. Leur identification est nécessaire pour comprendre le développement du diabète et développer des stratégies de traitement. La greffe d'îlots est une approche thérapeutique prometteuse pour le diabète de type 1, mais est limitée par une perte précoce des cellules β due à une apoptose induite par des cytokines. Afin d'améliorer la survie des cellules β lors de la greffe d'îlots, le premier but était de trouver des peptides pouvant bloquer l'apoptose induite par FasL et TNF-α. Pour ce faire, deux librairies de phages ont été criblées pour sélectionner des peptides se liant au Fas DD ou au TNFRl DD. Nous avons identifié six peptides différents. Cependant, aucun d'entre eux n'était capable de protéger les cellules de l'apoptose induite par FasL ou TNF-α. Deuxièmement, le GLP-1 est une hormone qui stimule la sécrétion d'insuline, et est impliquée dans la prolifération des cellules β, la différentiation, et inhibe l'apoptose. Nous avons fait l'hypothèse que le GLP-1 joue un rôle crucial dans le contrôle de la masse et de la fonction des cellules β. Afin de l'évaluer, une analyse par puce à ADN a été réalisée en comparant des cellules βTC-Tet traitées avec du GLP-1 à des cellules non-traitées. 376 gènes régulés ont été identifiés, dont RGS2, CREM, ICERI et DUSP14, augmentés significativement par le GLP-1. Nous avons confirmé que le GLP-1 augmente l'expression de ces gènes, aussi bien au niveau des transcripts que des protéines. De plus, nous avons montré que le GLP-1 induit leur expression par activation de la voie cAMP/PKA, et nécessite l'entrée de calcium extracellulaire. D'après leur fonction biologique, nous avons ensuite supposé que ces gènes pourraient agir comme régulateurs négatifs de la signalisation du GLP-l, et donc freiner son effet proliférateur. Pour vérifier notre hypothèse, des siRNAs contre ces gènes ont été développés, et leurs effets sur la prolifération des cellules β seront évalués ultérieurement. Abstract The pancreatic β-cell mass is a dynamic tissue which adapts to variations in metabolic demand in order to ensure normoglycemia. This adaptation occurs through a change in both insulin secretion and the total mass of ,β-cells. An absolute or relative loss of β-cells leads to type 1 and type 2 diabetes, respectively. The mechanisms that regulate the pancreatic β-cell mass and maintain the fully differentiated phenotype of the insulin-secreting β-cells are only poorly defined. Their identification is required to understand the progression of diabetes, but also to design strategies for the treatment of diabetes. Islet transplantation is a promising therapeutic approach for type 1 diabetes, but it is still limited by an early graft loss due to cytokine-induced apoptosis. In order to improve β-cell survival during islet transplantation, our first goal was to find novel blockers of FasL- and TNF-α-mediated cell death in the form of peptides. To that end, we screened two phage display libraries to select Fas DD- or TNFR1 DD-binding peptides. We identified six different small peptides. However, none of these peptides was able to prevent cells from FasL- or TNF-α-mediated apoptosis. Secondly, GLP-1 is a hormone that has been shown to stimulate insulin secretion and to be involved in β-cell proliferation, differentiation and inhibition of apoptosis. We hypothesized that GLP-1 plays a crucial role to control mass and function of β-cells. To evaluate this hypothesis, we performed a cDNA microarray analysis with GLP-1-treated βTC-Tet cells compared to untreated cells. We found 376 regulated genes, among these, RGS2, CREM, ICERI and DUSP14, which were significantly upregulated by GLP-1. We confirmed that both their mRNA and protein levels were strongly and rapidly increased after GLP-1 treatment. Moreover, we found that GLP-1 activates their expression mainly through the activation of the cAMP/PKA signaling pathway, and requires extracellular calcium entry. According to their biological function, we then hypothesized that these genes might act as negative regulators of the GLP-1 signaling. In particular, they might brake the effects of GLP-1 on β-cell proliferation. To verify this hypothesis, siRNAs against these genes were developed. The effect of these siRNAs on GLP-1-induced β-cell proliferation will be evaluated later.