Survival responses in stressed organs

Apoptosis or programmed cell death is a regulated form of cell suicide executed by cysteine proteases, or "caspases", to maintain proper tissue homeostasis in multicellular organisms. Dysregulation of apoptosis leads to pathological complications including cancer, autoimmunity, neurodegenerative, and heart diseases. Beside their known function as the key executioners of apoptotic cell death, caspases were reported to mediate non-apoptotic functions. In this report we study the survival signals conveyed through caspase-3-mediated cleavage of Ras GTPase-activating proteins (RasGAP). Ubiquitously expressed, RasGAP senses caspase activity and controls the cell death/survival switch. RasGAP is cleaved once at low caspase activity and the generated N-terminal fragment (fragment N) induces a survival response by activating Ras/PI3K/Akt pathway. However, high caspase activity associated with increased stress leads to fragment Ν cleavage into fragments that do not mediate any detectable survival signals. In this thesis project we studied the role of fragment Ν in protecting stressed organs as well as in maintenance of their functionality. In response to stress in different organs, we found that mice lacking caspase-3 or unable to cleave RasGAP (Knock-In mice), and therefore unable to generate fragment N, were deficient in Akt activation and experienced increased apoptosis compared to wild-type mice. Augmented tissue damage and organ dysfunction in those mice highlight the importance of fragment Ν in activating Akt-mediated prosurvival pathway and in protection of organs during episodes of stress. In parallel we investigated the role of fragment Ν in regulating the activation of transcription factor NF-kB, a master regulator of inflammation. Sustained NF-kB activation may be detrimental by directly causing apoptosis or leading to a persistent damaging inflammation response. We found that fragment Ν is a potent inhibitor of NF-kB by favoring its nuclear export. Therefore, fragment Ν regulates NF-kB activity and contributes to a controlled response as well as maintenance of homeostasis in stressed cells. Importantly, these findings introduce new insights of how activated caspase-3 acts as a stress intensity sensor that controls cell fate by either initiating a fragment N- dependent cell resistance program or a cell suicide response. This identifies the pivotal role of fragment Ν in protection against patho-physiological damage, and encourages the development of therapies which aim to increase cell resistance to vigorous treatment. - L'apoptose, ou mort cellulaire programmée, est une forme contrôlée de suicide cellulaire exécuté par des protéines appelées caspases, dans le but de maintenir l'homéostasie des tissus sains dans les organismes multicellulaires. Un mauvais contrôle de l'apoptose peut mener à des pathologies comme le cancer, la neurodégénération et les maladies cardiaques et auto-immunes. En dehors de leur rôle connu d'exécutrices de l'apoptose, les caspases ont aussi été identifiées dans d'autres contextes non-apoptotiques. Dans ce projet, nous avons étudié les signaux de survie émis par le résultat du clivage de RasGAP par la caspase-3. Exprimée de façon ubiquitaire, RasGAP est sensible à l'activité de caspase-3 et contrôle la décision de la cellule à entreprendre la mort ou la survie cellulaire. A un taux d'activité faible, la caspase-3 clive RasGAP, ce qui mène à la génération d'un fragment N-terminal, appelé Fragment N, qui induit des signaux de survie via l'activation de la cascade Ras/PI3K/Akt. Cependant, lorsque l'activité de la caspase-3 augmente, le fragment N est clivé, ce qui a pour effet d'éliminer ces signaux de survie. Dans ce travail, nous avons étudié le rôle du Fragment N dans la protection des organes en état de stress et dans le maintien de leur fonctionnalité. En réponse à certains stress, nous avons découvert que les organes de souris n'exprimant pas la caspase-3 ou alors incapables de cliver RasGAP (souris Kl), et de ce fait n'ayant pas la possibilité de générer le Fragment N, perdaient leur faculté d'activer la protéine Akt et démontraient un taux d'apoptose plus élevé que des organes de souris sauvages. Le fait que les organes et tissus de ces souris manifestaient de graves dommages et dysfonctions met en évidence l'importance du Fragment N dans l'activation des signaux de survie via la protéine Akt et dans la neutralisation de l'apoptose induite par la caspase-3. En parallèle, nous avons investigué le rôle du Fragment N dans la régulation de l'activation de NF-kB, un facteur de transcription clé dans l'inflammation. Une activation soutenue de NF-kB peut être délétère par activation directe de l'apoptose ou peut mener à une réponse inflammatoire persistante. Nous avons découvert que le Fragment N, en favorisant l'export de NF-kB depuis le noyau, était capable de l'inhiber très efficacement. Le Fragment N régule donc l'activité de NF-kB et contribue au maintien de l'homéostasie dans des cellules stressées. Ces découvertes aident, de façon importante, à la compréhension de comment l'activation de la caspase-3 agit comme senseur de stress et décide du sort de la cellule soit en initiant une protection par le biais du fragment N, ou en induisant un suicide cellulaire. Cette étude définit le Fragment Ν comme ayant un rôle de pivot dans la protection contre des dommages patho-physiologiques, et ouvre des perspectives de développement de thérapies qui cibleraient à augmenter la résistance à divers traitements.

Bacterial flagellin elicits innate immune defenses and cardiac dysfunction in vivo

Résumé Les agents pathogènes responsables d'infection entraînent chez l'hôte deux types de réponses immunes, la première, non spécifique, dite immunité innée, la seconde, spécifique à l'agent concerné, dite immunité adaptative. L'immunité innée, qui représente la première ligne de défense contre les pathogènes, est liée à la reconnaissance par les cellules de l'hôte de structures moléculaires propres aux micro-organismes (« Pathogen-Associated Molecular Patterns », PAMPs), grâce à des récepteurs membranaires et cytoplasmiques (« Pattern Recognition Receptors », PRRs) identifiant de manière spécifique ces motifs moléculaires. Les récepteurs membranaires impliqués dans ce processus sont dénommés toll-like récepteurs, ou TLRS. Lorsqu'ils sont activés par leur ligand spécifique, ces récepteurs activent des voies de signalisation intracellulaires initiant la réponse inflammatoire non spécifique et visant à éradiquer l'agent pathogène. Les deux voies de signalisation impliquées dans ce processus sont la voie des « Mitogen-Activated Protein Kinases » (MAPKs) et celle du « Nuclear Factor kappaB » (NF-κB), dont l'activation entraîne in fine l'expression de protéines de l'inflammation dénommées cytokines, ainsi que certaines enzymes produisant divers autres médiateurs inflammatoires. Dans certaines situations, cette réponse immune peut être amplifiée de manière inadéquate, entraînant chez l'hôte une réaction inflammatoire systémique exagérée, appelée sepsis. Le sepsis peut se compliquer de dysfonctions d'organes multiples (sepsis sévère), et dans sa forme la plus grave, d'un collapsus cardiovasculaire, définissant le choc septique. La défaillance circulatoire du choc septique touche les vaisseaux sanguins d'une part, le coeur d'autre part, réalisant un tableau de «dysfonction cardiaque septique », dont on connaît mal les mécanismes pathogéniques. Les bactéries à Gram négatif peuvent déclencher de tels phénomènes, notamment en libérant de l'endotoxine, qui active les voies de l'immunité innée par son interaction avec un toll récepteur, le TLR4. Outre l'endotoxine, la plupart des bactéries à Gram négatif relâchent également dans leur environnement une protéine, la flagelline, qui est le constituant majeur du flagelle bactérien, organelle assurant la mobilité de ces micro-organismes. Des données récentes ont indiqué que la flagelline active, dans certaines cellules, les voies de l'immunité innée en se liant au récepteur TLRS. On ne connaît toutefois pas les conséquences de l'interaction flagelline-TLRS sur le développement de l'inflammation et des dysfonctions d'organes au cours du sepsis. Nous avons par conséquent élaboré le présent travail en formulant l'hypothèse que la flagelline pourrait déclencher une telle inflammation et représenter ainsi un médiateur potentiel de la dysfonction d'organes au cours du sepsis à Gram négatif, en nous intéressant plus particulièrement àl'inflammation et à la dysfonction cardiaque. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié les effets de la flagelline sur l'activation du NF-κB et des MAPKs, et sur l'expression de cytokines inflammatoires au niveau du myocarde in vitro (cardiomyocytes en culture) et in vivo (injection de flagelline recombinante à des souris). Nous avons observé tout d'abord que le récepteur TLRS est fortement exprimé au niveau du myocarde. Nous avons ensuite démontré que la flagelline active la voie du NF-κB et des MAP kinases (p38 et JNK), stimule la production de cytokines et de chemokines inflammatoires in vitro et in vivo, et entraîne l'activation de polynucléaires neutrophiles dans le tissu cardiaque in vivo. Finalement, au plan fonctionnel, nous avons pu montrer que la flagelline entraîne une dilatation et une réduction aiguë de la contractilité du ventricule gauche chez la souris, reproduisant les caractéristiques de la dysfonction cardiaque septique. Dans la deuxième partie, nous avons déterminé la distribution du récepteur TLRS dans les autres organes majeurs de la souris (poumon, foie, intestin et rein}, et avons caractérisé dans ces organes l'effet de la flagelline sur l'activation du NF-κB et des MAPKs, l'expression de cytokines, et l'induction de l'apoptose. Nous avons démontré que le TLRS est exprimé de façon constitutive dans ces organes, et que l'injection de flagelline y déclenche les cascades de l'immunité innée et de processus apoptotiques. Finalement, nous avons également déterminé que la flagelline entraîne une augmentation significative de multiples cytokines dans le plasma une à six heures après son injection. En résumé, nos données démontrent que la flagelline bactérienne (a) entraîne une inflammation et une dysfonction importantes du myocarde et (b) active de manière très significative les mécanismes d'immunité innée dans les principaux organes et entraîne une réponse inflammatoire systémique. Par conséquent, la flagelline peut représenter un médiateur puissant de l'inflammation et de la dysfonction d'organes, notamment du coeur, au cours du choc septique déclenché par les bactéries à Gram négatif. Summary Pathogenic microorganisms trigger two kinds of immune responses in the host. The first one is immediate and non-specific and is termed innate immunity, whereas the second one, specifically targeted at the invading agent, is termed adaptative immunity. Innate immunity, which represents the first line of defense against invading pathogens, confers the host the ability to recognize molecular structures common to many microbial pathogens, ("Pathogen-Associated Molecular Patterns", PAMPs), through cytosolic or membrane-associated receptors ("Pattern Recognition Receptors", PRRs), the latter being represented by a family of receptors termed "toll-like receptors or TLRs". Once activated by the binding of their specific ligand, these receptors activate intracellular signaling pathways, which initiate the non-specific inflammatory response aimed at eradicating the pathogens. The two pathways implicated in this process are the mitogen-activated protein kinases (MAPK) and the nuclear factor kappa B (NF-κB) signaling pathways, whose activation elicit in fine the expression of inflammatory proteins termed cytokines, as well as various enzymes producing a wealth of additional inflammatory mediators. In some circumstances, the innate immune response can become amplified and dysregulated, triggering an overwhelming systemic inflammatory response in the host, identified as sepsis. Sepsis can be associated with multiple organ dysfunction (severe sepsis), and in its most severe form, with cardiovascular collapse, defming septic shock. The cardiovascular failure associated with septic shock affects blood vessels as well as the heart, resulting in a particular form of acute heart failure termed "septic cardiac dysfunction ", whose pathogenic mechanisms remain partly undefined. Gram-negative bacteria can initiate such phenomena, notably by releasing lipopolysaccharide (LPS), which activates innate immune signaling by interacting with its specific toll receptor, the TLR4. Besides LPS, most Gram-negative bacteria also release flagellin into their environment, which is the main structural protein of the bacterial flagellum, an appendage extending from the outer bacterial membrane, responsible for the motility of the microorganism. Recent data indicated that flagellin activate immune responses upon binding to its receptor, TLRS, in various cell types. However, the role of flagellin/TLRS interaction in the development of inflammation and organ dysfunction during sepsis is not known. Therefore, we designed the present work to address the hypothesis that flagellin might trigger such inflammatory responses and thus represent a potential mediator of organ dysfunction during Gram-negative sepsis, with a particular emphasis on cardiac inflammation and contractile dysfunction. In the first part of this work, we investigated the effects of flagellin on NF-κB and MAPK activation and the generation of pro-inflammatory mediators within the heart in vitro (cultured cardiomyocytes) and in vivo (injection of recombinant flagellin into mice). We first observed that TLRS protein is strongly expressed by the myocardium. We then demonstrated that flagellin activates NF-κB and MAP kinases (p38 and JNK), upregulates the transcription of pro-inflammatory cytokines and chemokines in vitro and in vivo, and stimulates the activation of polymorphonuclear neutrophils within the heart in vivo. Finally, we demonstrated that flagellin triggers acute cardiac dilation, and a significant reduction of left ventricular contractility, mimicking characteristics of clinical septic cardiac dysfunction. In the second part, we determined the TLRS distribution in other mice major organs (lung, liver, gut and kidney) and we characterized in these organs the effects of flagellin on NF-κB and MAPK activation, on the expression of pro-inflammatory çytokines, and on the induction of apoptosis. We demonstrated that TLRS protein is constitutively expressed and that flagellin activates prototypical innate immune responses and pro-apoptotic pathways in all these organs. Finally, we also observed that flagellin induces a significant increase of multiple cytokines in the plasma from 1 to 6 hours after its intravenous administration. Altogether, these data provide evidence that bacterial flagellin (a) triggers an important inflammatory response and an acute dysfunction of the myocardium, and (b) significantly activates the mechanisms of innate immunity in most major organs and elicits a systemic inflammatory response. In consequence, flagellin may represent a potent mediator of inflammation and multiple organ failure, notably cardiac dysfunction, during Gram-negative septic shock.

Exposition professionnelle aux hydrocarbures aromatiques polycycliques dans la poussière de bois

Les tumeurs malignes des cavités naso-sinusiennes (CNS) représentent environ 3% des cancers ORL. La poussière de bois est reconnue comme cancérigène pour l'homme (IARC, classe 1A) et la maladie professionnelle formellement identifiée est le CNS ou le cancer de l'ethmoïde. L'adénocarcinome des CNS est une maladie professionnelle admise chez certains travailleurs spécialisés tels les menuisiers et les ébénistes. Selon les enquêtes WOODEX dans les 25 états membres de UE en 2006, environ 3.6 millions de travailleurs sont exposés par voie respiratoire à la poussière de bois, soit 2% de la population active. En France, 307 000 travailleurs sont exposés, et il y a environ 200 cas de cancers sino-nasaux reconnus comme maladie professionnelle par année. La forte proportion de travailleurs du bois développant un adénocarcinome des CNS a suggéré diverses pistes, tel que le tanin pour les bois durs, le formaldéhyde pour les contre-plaqués et le benzo(a)pyrène produit par le bois surchauffé. Il est reconnu que le tanin ne provoque pas de cancer dans l'exposition à la poussière de thé. Le formaldéhyde est un irritant mais il est aussi classé cancérogène. La piste des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) cancérogènes provoqués par le bois surchauffé est séduisante. Nous avons étudié leur teneur en fonction des opérations pratiquées sur le bois en cabine d'expérimentation. Les matériaux testés sont du sapin brut, du chêne et chêne imprégné de polyuréthane. La poussière de bois contient des HAP au niveau du µg/g ou ppm. Le bois imprégné de vernis PU produit 100 fois plus de HAP que le bois brut lors des opérations de ponçage.

Effets de la stimulation sousthalamique bilatérale sur la voix et la parole de patients parkinsoniens

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative atteignant 1-2% des¦personnes de plus de 60 ans (1). Ses signes cliniques ont été décrits par James Parkinson¦en 1817 dans : « An essay on the Shaking palsy» (2). Les signes cardinaux sont le¦tremblement de repos, la rigidité et la bradykinésie. Certaines définitions y ajoutent l'instabilité¦posturale. D'autres manifestations, non motrices, telles qu'une dysfonction autonome et¦sensitive, des troubles de l'humeur, des troubles du sommeil et des démences peuvent¦apparaître en cours d'évolution. Le traitement actuel de la MP est principalement¦pharmacologique. Il consiste en l'administration du précurseur de la dopamine, la levodopa¦(L-dopa). Pourtant, l'utilisation à long terme de la L-dopa induit des fluctuations motrices telles¦que dyskinésies et dystonies. Au cours du siècle dernier, de nombreux traitements¦chirurgicaux ont été tentés, en particulier des procédures ablatives (thalamotomie,¦pallidotomie, subthalamotomie). Elles ont le désavantage d'induire des séquelles non¦négligeables telles que des parésies et des troubles neurocognitifs. La chirurgie ablative a¦été abandonnée avec l'arrivée de la L-dopa dans les années 1960. Les limitations de la¦thérapie par la L-dopa associées aux améliorations de la neuro-imagerie, de la sécurité des¦procédures neurochirurgicales ainsi que des techniques d'implantation ont permis le¦développement de procédures stimulatrices dans les années 1990. La stimulation cérébrale¦profonde des noyaux sous-thalamiques est devenue une stratégie thérapeutique bien établie¦chez les patients atteints d'une MP avancée. Malgré une excellente réponse motrice des¦membres, l'impact de la stimulation cérébrale profonde sur la parole est controversé (2).¦Le but de cette étude est de déterminer l'influence aigüe des stimulateurs sous-thalamiques¦sur des paramètres objectifs et quantitatifs, ainsi que sur un paramètre subjectif de la¦dysarthrie parkinsonienne. Nous allons comparer dans notre groupe de patients deux¦conditions successives: patient avec stimulateurs éteints et sans médication (OFF/nm)¦versus avec stimulateurs allumés et sans médication (ON/nm). Nous allons ensuite effectuer¦des analyses statistiques afin de déterminer si les stimulateurs sous-thalamiques ont un effet¦aigu bénéfique ou non sur certains paramètres vocaux, puis sur l'intelligibilité globale de la¦parole. En effet, l'intelligibilité nous informe sur la capacité de communication du patient avec¦son entourage.