Pattern and clinical significance of cancer-testis gene expression in head and neck squamous cell carcinoma

Les cancer-testis antigènes appartiennent à la famille des antigènes tumoraux spécifiques. Ils ont montré un pouvoir immunogène chez les patients porteurs de différents cancers. En effet, ils stimulent sélectivement les lymphocytes cytotoxiques, et leur expression spécifique dans les tissus tumoraux en fait une cible idéale pour une vaccination antitumorale. Le but de cette étude est d'identifier l'expression de certains de ces antigènes, d'analyser leur valeur pronostique et de déterminer la meilleure cible antigénique pour permettre une immunothérapie spécifique dans les carcinomes épidermoïdes des voies aérodigestives supérieures. Le profil et le taux d'expression de 12 cancer-testis antigènes (MAGE-A1, MAGE-A3, MAGE-A4, MAGEA10, MAGE-C2, NY-ESO-1, LAGE-1, SSX-2, SSX-4, BAGE, GAGE-1/2, GAGE-3/4) et de 3 autres antigènes tumoraux spécifiques (PRAME, HERV-K-MEL, NA-17A) ont été évalués par RT-PCR sur 57 échantillons de cancers ORL primaires. Les paramètres tumoraux et cliniques ont été prospectivement collectés afin de corréler ces données avec le résultat de nos investigations immunobiologiques. Quatre-vingt-huit pour cent des tumeurs expriment au moins 1 antigène. Une co-expression de 3 gènes ou plus est détectée chez 59% des patients. MAGE-A4 (60%), MAGE-A3 (51%), PRAME (49%) et HERV-K-MEL (42%) sont les gènes le plus fréquemment exprimés. Ils sont totalement absents des muqueuses saines avoisinantes. La présence de MAGE-A et NY-ESO-1 à la surface des cellules a été vérifiée par immunohistochimie. Nos analyses statistiques ont permis d'identifier une diminution de la survie liée au cancer chez les patients porteurs d'une tumeur exprimant de multiples cancer-testis antigènes et notamment MAGE-A4 dont l'expression indépendante d'autres éléments cliniques s'associe statistiquement à un taux de survie diminué. Nos résultats ont permis d'identifier un rôle pronostique de l'expression des gènes associés aux tumeurs dont l'expression est apparemment liée à un phénotype de malignité plus élevé. Cette constatation, corroborée par l'identification parallèle d'un infiltrat lymphocytaire spécifique confirme l'utilité potentielle de certains cancer-testis antigènes comme cible pour une immunothérapie ciblée dans les carcinomes des voies aérodigestives supérieures

Interactions between cells and functionalized nanoparticles

In this present thesis Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles (SPIONs) with 9 nm in diameter were selected as nanocarriers in order to study their potential application as drug delivery systems. Therefore the aim of the study was to demonstrate the proof of concept by establishing an efficient system of drug delivery, which would be a valuable tool in biomedical applications, such as the treatement of cancer, by reducing the side effects due to administration of a high concentration of therapeutic agents. As demonstrated in a previous study, the uptake of SPIONs by tumoral human cells was enhanced by the presence of amino groups on their surface. The stabilization of SPIONs were then performed and optimized by the coating of poly(vinylalcohol) and poly(vinylalcohol/vinylamine). Such nanoparticles were known as aminoPVA-SPIONs. The toxicity and the inflammatory reaction of aminoPVA-SPIONs were evaluated in order to establish their potentiel use in the human body. The results demonstrated that the human cells were able to invaginate aminoPVA-SPIONS without revealing any toxicity and inflammatory reaction. The analysis by transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), cryo-TEM, confocal microscopy and histological staining (i.e. Prussian Blue) showed that the iron oxide core of SPIONs were located in the cytoplasm of cells and concentrated in vesicles. The evaluation of the mechanism of uptake of aminoPVA-SPIONs revealed that their uptake by monolayer cell culture was performed via an active mechanism, which was achieved by a clathrin-mediated endocytosis. Consequently, it was suggested that aminoPVA-SPIONs were good candidates as nanocarriers in drug delivery systems, which were able to reach the cytoplasm of cells. Their incubation with three-dimensional models mimicing tissues, such as differentiated rat brain cell-derived aggregates and spheroids, revealed that aminoPVA-SPIONs were able to invade into deep cell layers according to the stage of growth of these models. In the view of these promising results, drug-SPIONs were prepared by the functionalization of aminoPVA-SPIONs via a biological labile chemical bond by one of these three antineoplastic agents, which are widely used in clinical practice: 5-fluorourdine (Fur) (an antimetabolite), or camptothecin (CPT) (a topoisomerase inhibitor) or doxorubicin (DOX) (an anthracycline which interfere with DNA). The results shown that drug-SPIONs were internalized by human melanoma cells, as it was expected due the previous results with aminoPVA-SPIONs, and in addition they were active as anticancer agents, suggesting the efficient release of the drug from the drug-SPIONs. The results with CPT-SPIONs were the most promising, whereas DOX- SPIONs did not demonstrate a prononced activity of DOX. In conclusion, the results demonstrated that functionalized iron oxide nanoparticles are a promising tool in order to deliver therapeutic agents. - Dans le cadre de ce travail de thèse, les nanoparticules superparamagnétiques d'oxyde de fer (SPIONs) ayant un diamètre de 9 nm ont été choisies, afin d'étudier leur éventuelle utilisation dans un système de délivrance d'agents thérapeutiques. Ainsi le but de la thèse est de démontrer la faisabilité de fabriquer un système efficace de délivrance d'agents thérapeutiques, qui serait un outil intéressant dans le cadre d'une utilisation biomédicale, par exemple lors du traitement du cancer, qui pourrait réduire les effets secondaires provoqués par le dosage trop élevé de médicaments. Comme il a été démontré dans une précédente étude, l'invagination des SPIONs par des cellules humaines cancéreuses est améliorée par la présence de groupes fonctionnels amino à leur surface. La stabilisation des SPIONs est ainsi effectuée et optimisée par l'enrobage de poly(vinylalcool) et de (poly(vinylalcool/vinylamine), qui sont connues sous le nom de aminoPVA-SPIONs. La toxicité et la réaction inflammatoire des aminoPVA-SPIONs ont été évaluées dans le but de déterminer leur potentielle utilisation dans le corps humain. Les résultats démontrèrent que les cellules humaines sont capables d'invaginer les aminoPVAS-SPIONs sans induire une réaction toxique ou inflammatoire. L'analyse par la microscopie électronique en transmission électronique (TEM), la microscopie électronique à balayage (SEM), le cryo-microscopie électronique (SEM), la microscopie confocale et la coloration histologique (par ex, le bleu de Prusse) a montré que l'oxyde de fer des SPIONs est localisé dans le cytoplasme des cellules et est concentré dans des vesicules. L'évaluation du méchanisme d'invagination des aminoPVA-SPIONs ont révélé que leur invagination par des monocultures de cellules est effectué par un méchanisme actif, contrôlé par une endocytose induite par les clathrins. Par conséquent, les aminoPVA-SPIONs sont de bons candidats en tant que transporteurs (nanocamers) dans un système de délivrance d'agents thérapeuthique, capable d'atteindre le cytoplasme des cellules. Leur incubation avec des modèles tridimenstionnels imitant les tissues, tels que les aggrégats de cellules de cerveau différenciées et les sphéroïdes, a montré que les aminoPVA-SPIONs sont capable de pénétrer dans les couches profondes des modèles, selon l'état d'avancement de leur croissance. En vue de ces résultats prometteurs, les drug-SPIONs ont été préparés en fonctionalisant les aminoPVA-SPIONs par le biai d'une liaison chimique labile par un des trois agents thérapeutiques, déjà utilisé en pratique : 5-fluorourdine (Fur) (un antimétabolite), or camptothecin (CPT) (un inhibiteur de la topoisomerase) or doxorubicin (DOX) (un anthracycline qui interfère avec le DNA). Les résultats ont montré que les drug-SPIONs sont capable d'être internalisés par les mélanomes, comme il a été attendu d'après les résultats obtenus précédemment avec les aminoPVA-SPIONs, et de plus, les drug-SPIONs sont actifs, ce qui suggère un relargage efficace de l'agent thérapeutique du drug-SPIONs. Les résultats obtenus avec les CPT-SPIONs sont les plus prometteurs, tandis que ceux avec les DOX-SPIONs, ce n'est pas le cas, dont l'activité thérapeutique de DOX n'a pas été aussi efficace. En conclusion, les résultats ont pu démontrer que les nanoparticules d'oxyde de fer fonctionnalisées sont un outil prometteur dans la délivrance d'agents thérapeutiques.

Molecular players shaping the arbuscular mycorrhizal symbiosis of rice

SUMMARY : The arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis is an evolutionarily ancient association between most land plants and Glomeromycotan fungi that is based on the mutual exchange of nutrients between the two partners. Its structural and physiological establishment is a multi-step process involving a tightly regulated signal exchange leading to intracellular colonization of roots by the fungi. Most research on the molecular biology and genetics of symbiosis development has been performed in dicotyledonous model legumes. In these, a plant signaling pathway, the common SYM pathway, has been found to be required for accommodation of both root symbionts rhizobia and AM fungi. Rice, a monocotyledon model and the world's most important staple crop also forms AM symbioses, has been largely ignored for studies of the AM symbiosis. Therefore in this PhD work functional conservation of the common SYM pathway in rice was addressed and demonstrated. Mycorrhiza-specific marker genes were established that are expressed at different stages of AM development and therefore represent readouts for various AM-specific signaling events. These tools were successfully used to obtain evidence for a yet unknown signaling network comprising common SYM-dependent and -independent events. In legumes AM colonization induces common SYM signaling dependent changes in root system architecture. It was demonstrated that also in rice, root system architecture changes in response to AM colonization but these alterations occur independently of common SYM signaling. The rice root system is complex and contains three different root types. It was shown that root type identity influences the quantity of AM colonization, indicating root type specific symbiotic properties. Interestingly, the root types differed in their transcriptional responses to AM colonization and the less colonized root type responded more dramatically than the more strongly colonized root type. Finally, in an independent project a novel mutant, inhospitable (iho), was discovered. It is perturbed at the most early step of AM colonization, namely differentiation of the AM fungal hyphae into a hyphopodium at the root surface. As plant factors required for this early step are not known, identification of the IHO gene will greatly contribute to the advance of mycorrhiza RÉSUMÉ : La symbiose mycorhizienne arbusculaire (AM) est une association évolutionnairement ancienne entre la majorité des plantes terrestres et les champignons du type Glomeromycota, basée sur l'échange mutuel d'éléments nutritifs entre les deux partenaires. Son établissement structural et physiologique est un processus en plusieurs étapes, impliquant des échanges de signaux étroitement contrôlés, aboutissant à la colonisation intracellulaire des racines par le champignon. La plupart des recherches sur la biologie moléculaire et la génétique du développement de la symbiose ont été effectuées sur des légumineuses dicotylédones modèles. Dans ces dernières, une voie de signalisation, la voie SYM, s'est avérée nécessaire pour permettre la mise en place de la symbiose mycorhizienne. Chez les plantes monocotylédones, comme le riz, une des céréales les plus importantes, nourrissant la moitié de la population mondiale, peu de recherches ont été effectuées sur les bases de la cette symbiose. Dans ce travail de thèse, la conservation fonctionnelle de la voie commune SYM chez le riz a été étudiée et démontrée. De plus, des gènes marqueurs spécifiques des différentes étapes du développement de l'AM ont été identifiés, permettant ainsi d'avoir des traceurs de la colonisation. Ces outils ont été utilisés avec succès pour démontrer l'existence d'un nouveau réseau de signalisation, comprenant des éléments SYM dépendant et indépendant. Chez les légumineuses, la colonisation par les AM induit des changements dans l'architecture du système racinaire, via la signalisation SYM dépendantes. Cependant chez le riz, il a été démontré que l'architecture de système racinaire changeait suite à la colonisation de l'AM, mais ceux, de façon SYM indépendante. Le système racinaire du riz est complexe et contient trois types différents de racines. Il a été démontré que le type de racine pouvait influencer l'efficacité de la colonisation par l'AM, indiquant que les racines ont des propriétés symbiotiques spécifiques différentes. De façon surprenante, les divers types de racines répondent de différemment suite à colonisation par l'AM avec des changements de la expression des gènes. Le type de racine le moins colonisé, répondant le plus fortement a la colonisation, et inversement. En parallèle, dans un projet indépendant, un nouveau mutant, inhospitable (iho), a été identifié. Ce mutant est perturbé lors de l'étape la plus précoce de la colonisation par l'AM, à savoir la différentiation des hyphes fongiques de l'AM en hyphopodium, à la surface des racines. Les facteurs d'origine végétale requis pour cette étape étant encore inconnus, l'identification du gène IHO contribuera considérablement a accroître nos connaissance sur les bases de la mise en place de cette symbiose.

Differential phosphoproteomics of fragmenting yeast vacuoles

Many organelles exist in an equilibrium of fragmentation into smaller units and fusion into larger structures, which is coordinated with cell division, the increase in cell mass, and envi¬ronmental conditions. In yeast cells, organelle homeostasis can be studied using the yeast vacuole (lysosome) as a model system. Yeast vacuoles are the main compartment for degrada¬tion of cellular proteins and storage of nutrients, ions and metabolites. Fission and fusion of vacuoles can be induced by hyper- and hypotonic shock in vivo, respectively, and have also been reconstituted in vitro using isolated vacuoles. The conserved serine/threonine kinase TOR (target of rapamycin) is a central nutrient sensor and regulates cell growth and metabolism. In yeast, there are two TOR proteins, Torlp and Tor2p, which are part of larger protein complexes, TORCI and TORC2. Only TORCI is rapamycin-sensitive. Disregulation of TOR signaling is linked to a multitude of diseases in humans, e.g. cancer, neurodegenerative diseases and metabolic syndrome. It has been shown that TORCI localizes to the vacuole membrane, and recent findings of our laboratory demonstrated that TORCI positively regulates vacuole fragmentation. This suggests that the fragmentation machinery should contain target proteins phosphorylated by TORCI. I explored the rapamycin-and fission-dependent vacuolar phosphoproteome during frag¬mentation, using a label-free mass-spectrometry approach. I identified many vacuolar factors whose phosphorylation was downregulated in a TORCI- and fission-dependent manner. Among them were known protein complexes that are functionally linked to fission or fusion, like the HOPS, VTC and FAB1 complexes. Hence, TORCI-dependent phosphorylations might positively regulate vacuole fission. Several candidates were chosen for detailed microscopic analysis of in vivo vacuole frag-mentation, using deletion mutants. I was able to identify novel factors not previously linked to fission phenotypes, e.g. the SEA complex, Pib2, and several vacuolar amino acid transporters. Transport of neutral and basic amino acids across the membrane seems to control vacuole fission, possibly via TORCI. I analyzed vacuolar fluxes of amino acids in wildtype yeast cells and found evidence for a selective vacuolar export of basic amino acids upon hyperosmotic stress. This leads me to propose a model where vacuolar export of amino acids is necessary to reshape the organelle under salt stress. - Le nombre et la taille de certaines organelles peut être déterminé par un équilibre entre la fragmentation qui produit des unités plus petites et la fusion qui génère des structures plus larges. Cet équilibre est coordonné avec la division cellulaire, l'augmentation de la masse cellulaire, et les conditions environnementales. Dans des cellules de levure, l'homéostasie des organelles peut être étudié à l'aide d'un système modèle, la vacuole de levure (lysosome). Les vacuoles constituent le principal compartiment de la dégradation des protéines et de stockage des nutriments, des ions et des métabolites. La fragmentation et la fusion des vacuoles peuvent être respectivement induites par un traitement hyper- ou hypo-tonique dans les cellules vivantes. Ces processus ont également été reconstitués in vitro en utilisant des vacuoles isolées. La sérine/thréonine kinase conservée TOR (target of rapamycin/cible de la rapamycine) est un senseur de nutriments majeur qui régule la croissance cellulaire et le métabolisme. Chez la levure, il existe deux protéines TOR, Torlp et Tor2p, qui sont les constituants de plus grands complexes de protéines, TORCI et TORC2. TORCI est spécifiquement inhibé par la rapamycine. Une dysrégulation de la signalisation de TOR est liée à une multitude de maladies chez l'homme comme le cancer, les maladies neurodégénératives et le syndrome métabolique. Il a été montré que TORCI se localise à la membrane vacuolaire et les découvertes récentes de notre laboratoire ont montré que TORCI régule positivement la fragmentation de la vacuole. Ceci suggère que le mécanisme de fragmentation doit être contrôlé par la phosphorylation de certaines protéines cibles de TORCI. J'ai exploré le phosphoprotéome vacuolaire lors de la fragmentation, en présence ou absence de rapamycine et dans des conditions provoquant la fragmentation des organelles. La méthode choisie pour réaliser la première partie de ce projet a été la spectrométrie de masse différentielle sans marquage. J'ai ainsi identifié plusieurs facteurs vacuolaires dont la phosphorylation est régulée d'une manière dépendante de TORCI et de la fragmentation. Parmi ces facteurs, des complexes protéiques connus qui sont fonctionnellement liées à fragmentation ou la fusion, comme les complexes HOPS, VTC et FAB1 ont été mis en évidence. Par conséquent, la phosphorylation dépendante de TORCI peut réguler positivement la fragmentation des vacuoles. Plusieurs candidats ont été choisis pour une analyse microscopique détaillée de la fragmentation vacuolaire in vivo en utilisant des mutants de délétion. J'ai été en mesure d'identifier de nouveaux facteurs qui n'avaient pas été encore associés à des phénotypes de fragmentation tels que les complexes SEA, Pib2p, ainsi que plusieurs transporteurs vacuolaires d'acides aminés. Le transport des acides aminés à travers la membrane semble contrôler la fragmentation de la vacuole. Puisque ces transporteurs sont phosphorylés par TORCI, ces résultats semblent confirmer la

Formation of a spatial memory trace : a behavioral, cellular and molecular study

THESIS ABSTRACTThis thesis project was aimed at studying the molecular mechanisms underlying learning and memory formation, in particular as they relate to the metabolic coupling between astrocytes and neurons. For that, changes in the metabolic activity of different mice brain regions after 1 or 9 days of training in an eight-arm radial maze were assessed by (14C) 2-deoxyglucose (2DG) autoradiography. Significant differences in the areas engaged during the behavioral task at day 1 (when animals are confronted for the first time to the learning task) and at day 9 (when animals are highly performing) have been identified. These areas include the hippocampus, the fornix, the parietal cortex, the laterodorsal thalamic nucleus and the mammillary bodies at day 1 ; and the anterior cingulate, the retrosplenial cortex and the dorsal striatum at day 9. Two of these cerebral regions (those presenting the greatest changes at day 1 and day 9: the hippocampus and the retrosplenial cortex, respectively) were microdissected by laser capture microscopy and selected genes related to neuron-glia metabolic coupling, glucose metabolism and synaptic plasticity were analyzed by RT-PCR. 2DG and gene expression analysis were performed at three different times: 1) immediately after the end of the behavioral paradigm, 2) 45 minutes and 3) 6 hours after training. The main goal of this study was the identification of the metabolic adaptations following the learning task. Gene expression results demonstrate that the learning task profoundly modulates the pattern of gene expression in time, meaning that these two cerebral regions with high 2DG signal (hippocampus and retrosplenial cortex) have adapted their metabolic molecular machinery in consequence. Almost all studied genes show a higher expression in the hippocampus at day 1 compared to day 9, while an increased expression was found in the retrosplenial cortex at day 9. We can observe these molecular adaptations with a short delay of 45 minutes after the end of the task. However, 6 hours after training a high gene expression was found at day 9 (compared to day 1) in both regions, suggesting that only one day of training is not sufficient to detect transcriptional modifications several hours after the task. Thus, gene expression data match 2DG results indicating a transfer of information in time (from day 1 to day 9) and in space (from the hippocampus to the retrosplenial cortex), and this at a cellular and a molecular level. Moreover, learning seems to modify the neuron-glia metabolic coupling, since several genes involved in this coupling are induced. These results also suggest a role of glia in neuronal plasticity.RESUME DU TRAVAIL DE THESECe projet de thèse a eu pour but l'étude des mécanismes moléculaires qui sont impliqués dans l'apprentissage et la mémoire et, en particulier, à les mettre en rapport avec le couplage métabolique existant entre les astrocytes et les neurones. Pour cela, des changements de l'activité métabolique dans différentes régions du cerveau des souris après 1 ou 9 jours d'entraînement dans un labyrinthe radial à huit-bras ont été évalués par autoradiographie au 2-désoxyglucose (2DG). Des différences significatives dans les régions engagées pendant la tâche comportementale au jour 1 (quand les animaux sont confrontés pour la première fois à la tâche) et au jour 9 (quand les animaux ont déjà appris) ont été identifiés. Ces régions incluent, au jour 1, l'hippocampe, le fornix, le cortex pariétal, le noyau thalamic laterodorsal et les corps mamillaires; et, au jour 9, le cingulaire antérieur, le cortex retrosplenial et le striatum dorsal. Deux de ces régions cérébrales (celles présentant les plus grands changements à jour 1 et à jour 9: l'hippocampe et le cortex retrosplenial, respectivement) ont été découpées par microdissection au laser et quelques gènes liés au couplage métabolique neurone-glie, au métabolisme du glucose et à la plasticité synaptique ont été analysées par RT-PCR. L'étude 2DG et l'analyse de l'expression de gènes ont été exécutés à trois temps différents: 1) juste après entraînement, 2) 45 minutes et 3) 6 heures après la fin de la tâche. L'objectif principal de cette étude était l'identification des adaptations métaboliques suivant la tâche d'apprentissage. Les résultats de l'expression de gènes démontrent que la tâche d'apprentissage module profondément le profile d'expression des gènes dans le temps, signifiant que ces deux régions cérébrales avec un signal 2DG élevé (l'hippocampe et le cortex retrosplenial) ont adapté leurs « machines moléculaires » en conséquence. Presque tous les gènes étudiés montrent une expression plus élevée dans l'hippocampe au jour 1 comparé au jour 9, alors qu'une expression accrue a été trouvée dans le cortex retrosplenial au jour 9. Nous pouvons observer ces adaptations moléculaires avec un retard court de 45 minutes après la fin de la tâche. Cependant, 6 heures après l'entraînement, une expression de gènes élevée a été trouvée au jour 9 (comparé à jour 1) dans les deux régions, suggérant que seulement un jour d'entraînement ne suffit pas pour détecter des modifications transcriptionelles plusieurs heures après la tâche. Ainsi, les données d'expression de gènes corroborent les résultats 2DG indiquant un transfert d'information dans le temps (de jour 1 à jour 9) et dans l'espace (de l'hippocampe au cortex retrosplenial), et ceci à un niveau cellulaire et moléculaire. D'ailleurs, la tâche d'apprentissage semble modifier le couplage métabolique neurone-glie, puisque de nombreux gènes impliqués dans ce couplage sont induits. Ces observations suggèrent un rôle important de la glie dans les mécanismes de plasticité du système nerveux.

Endogenous and exogenous regulation of monocyte responses

Mononuclear phagocytes are essential for the innate response to pathogens and for the repair of injured tissue. The cells - which can be broadly divided into circulating monocytes and tissue-resident macrophages and dendritic cells - are selectively equipped to protect the host by mediating pleiotropic and tissue-specific functions. The properties of some mononuclear phagocytes, however, also contribute to the development and the progression of inflammatory diseases. Consequently, current research investigates mononuclear phagocytes into greater detail with the aim to clarify their contributions to pathophysiologic inflammation. Recent studies indicate that circulating monocytes can be divided into distinct populations, which differ in their tissue tropism and functional commitment. Also, tissue macrophages and dendritic cells have been found to adopt context-dependent phenotypes, which can range from "pro-" to "anti-" inflammatory. These findings have markedly contributed to our understanding of the functional heterogeneity of mononuclear phagocyte populations. Yet, in many cases, the factors that control the quantity and/or quality of phagocyte responses in vivo remain largely unknown. The goal of this thesis was to identify cell endogenous and cell exogenous factors that dictate the fate of mononuclear phagocyte populations. To this end we made use of the recent identification of phenotypic markers, which permit to track mononuclear cell types and their lineage precursors. A main approach consisted to define candidate regulatory factors of certain types of mononuclear phagocytes and then to manipulate the expression of these factors in mice so as to address their functions and causal contributions on mononuclear phagocyte lineages in vivo. Human patient material was further used to validate findings. First, we investigated a microRNA and a transcription factor as candidate cell endogenous co- regulators of monocyte subset responses. Second, we studied a tumor-derived hormone as a candidate exogenous factor that amplifies the production of a population of mononuclear phagocytes with tumor-promoting functions. The endogenous and exogenous factors identified in this research appear to act as effective regulators of mononuclear phagocyte responses in vivo and thus may be exploited in future therapeutic approaches to regulate disease-associated inflammation. - Les phagocytes mononucléaires sont essentiels pour la réponse innée aux pathogènes et pour la réparation des tissus lésés. Ces cellules - qui peuvent être largement divisées en deux groupes, les monocytes circulant dans le sang et les macrophages et cellules dendritiques résidant dans les tissus - sont capables de protéger l'hôte en exerçant des fonctions pléiotropiques. Cependant, les propriétés de certains phagocytes mononucléaires contribuent également au développement et à la progression des maladies inflammatoires. Par conséquent, la recherche actuelle étudie les phagocytes mononucléaires plus en détail afin de clarifier leurs contributions à l'inflammation pathophysiologique. Des études récentes indiquent que les monocytes circulants peuvent être divisés en populations distinctes, qui diffèrent dans leur tropisme tissulaire et dans leurs fonctions biologiques. En outre, les macrophages et les cellules dendritiques peuvent adopter des phénotypes dépendants de l'environnement dans lequel ils se trouvent; ces phénotypes peuvent aller du type "pro-" au type "anti-" inflammatoire. Ces récentes découvertes ont contribué à notre compréhension sur l'hétérogénéité fonctionnelle des phagocytes mononucléaires. Pourtant, dans de nombreux cas, les facteurs qui contrôlent la quantité et/ou la qualité des réponses produites par ces cellules restent encore largement inconnus. L'objectif de cette thèse a consisté à identifier de nouveaux facteurs (endogènes ou exogènes) qui contrôlent les phagocytes mononucléaires. Dans ce but, nous avons fait usage de l'identification récente de marqueurs qui permettent d'identifier différents types de phagocytes mononucléaires ainsi que des cellules (souches) dont ils sont issus. Notre approche a consisté à définir des facteurs candidats qui pourraient contrôler certains phagocytes mononucléaires, puis à manipuler l'expression de ces facteurs chez la souris de manière à tester leurs fonctions et leur contributions in vivo. Nous avons également utilisé des échantillons biologiques de patients pour vérifier nos résultats chez l'homme. Tout d'abord, nous avons étudié un microARN et un facteur de transcription pour déterminer si ces deux facteurs opèrent en tant que co-régulateurs d'un certain type de monocytes. Deuxièmement, nous avons considéré une hormone produite par certaines tumeurs afin d'examiner son rôle dans la production d'une population de macrophages qui favorisent la progression des tumeurs. Les facteurs endogènes et exogènes identifiés dans cette recherche semblent agir comme régulateurs dominants de réponses produites par certains phagocytes mononucléaires et pourraient donc être exploités dans de futures approches thérapeutiques afin de contrôler les réponses immunitaires inflammatoires associées a certaines maladies.

Regulation of Nav1.7 and Nav1.8 voltage-gated sodium channels by Nedd4-2 and β-subunits and its implication in neuropathic pain

In mammals, the presence of excitable cells in muscles, heart and nervous system is crucial and allows fast conduction of numerous biological information over long distances through the generation of action potentials (AP). Voltage-gated sodium channels (Navs) are key players in the generation and propagation of AP as they are responsible for the rising phase of the AP. Navs are heteromeric proteins composed of a large pore-forming a-subunit (Nav) and smaller ß-auxiliary subunits. There are ten genes encoding for Navl.l to Nav1.9 and NaX channels, each possessing its own specific biophysical properties. The excitable cells express differential combinations of Navs isoforms, generating a distinct electrophysiological signature. Noteworthy, only when anchored at the membrane are Navs functional and are participating in sodium conductance. In addition to the intrinsic properties of Navs, numerous regulatory proteins influence the sodium current. Some proteins will enhance stabilization of membrane Navs while others will favour internalization. Maintaining equilibrium between the two is of crucial importance for controlling cellular excitability. The E3 ubiquitin ligase Nedd4-2 is a well-characterized enzyme that negatively regulates the turnover of many membrane proteins including Navs. On the other hand, ß-subunits are known since long to stabilize Navs membrane anchoring. Peripheral neuropathic pain is a disabling condition resulting from nerve injury. It is characterized by the dysregulation of Navs expressed in dorsal root ganglion (DRG) sensory neurons as highlighted in different animal models of neuropathic pain. Among Navs, Nav1.7 and Nav1.8 are abundantly and specifically expressed in DRG sensory neurons and have been recurrently incriminated in nociception and neuropathic pain development. Using the spared nerve injury (SNI) experimental model of neuropathic pain in mice, I observed a specific reduction of Nedd4-2 in DRG sensory neurons. This decrease subsequently led to an upregulation of Nav1.7 and Nav1.8 protein and current, in the axon and the DRG neurons, respectively, and was sufficient to generate neuropathic pain-associated hyperexcitability. Knocking out Nedd4-2 specifically in nociceptive neurons led to the same increase of Nav1.7 and Nav1.8 concomitantly with an increased thermal sensitivity in mice. Conversely, rescuing Nedd4-2 downregulation using viral vector transfer attenuated neuropathic pain mechanical hypersensitivity. This study demonstrates the significant role of Nedd4-2 in regulating cellular excitability in vivo and its involvement in neuropathic pain development. The role of ß-subunits in neuropathic pain was already demonstrated in our research group. Because of their stabilization role, the increase of ßl, ß2 and ß3 subunits in DRGs after SNI led to increased Navs anchored at the membrane. Here, I report a novel mechanism of regulation of a-subunits by ß- subunits in vitro; ßl and ß3-subunits modulate the glycosylation pattern of Nav1.7, which might account for stabilization of its membrane expression. This opens new perspectives for investigation Navs state of glycosylation in ß-subunits dependent diseases, such as in neuropathic pain. - Chez les mammifères, la présence de cellules excitables dans les muscles, le coeur et le système nerveux est cruciale; elle permet la conduction rapide de nombreuses informations sur de longues distances grâce à la génération de potentiels d'action (PA). Les canaux sodiques voltage-dépendants (Navs) sont des participants importants dans la génération et la propagation des PA car ils sont responsables de la phase initiale de dépolarisation du PA. Les Navs sont des protéines hétéromériques composées d'une grande sous-unité a (formant le pore du canal) et de petites sous-unités ß accompagnatrices. Il existe dix gènes qui codent pour les canaux sodiques, du Nav 1.1 au Nav 1.9 ainsi que NaX, chacun possédant des propriétés biophysiques spécifiques. Les cellules excitables expriment différentes combinaisons des différents isoformes de Navs, qui engendrent une signature électrophysiologique distincte. Les Navs ne sont fonctionnels et ne participent à la conductibilité du Na+, que s'ils sont ancrés à la membrane plasmique. En plus des propriétés intrinsèques des Navs, de nombreuses protéines régulatrices influencent également le courant sodique. Certaines protéines vont favoriser l'ancrage et la stabilisation des Navs exprimés à la membrane, alors que d'autres vont plutôt favoriser leur internalisation. Maintenir l'équilibre des deux processus est crucial pour contrôler l'excitabilité cellulaire. Dans ce contexte, Nedd4-2, de la famille des E3 ubiquitin ligase, est une enzyme bien caractérisée qui régule l'internalisation de nombreuses protéines, notamment celle des Navs. Inversement, les sous-unités ß sont connues depuis longtemps pour stabiliser l'ancrage des Navs à la membrane. La douleur neuropathique périphérique est une condition débilitante résultant d'une atteinte à un nerf. Elle est caractérisée par la dérégulation des Navs exprimés dans les neurones sensoriels du ganglion spinal (DRG). Ceci a été démontré à de multiples occasions dans divers modèles animaux de douleur neuropathique. Parmi les Navs, Nav1.7 et Nav1.8 sont abondamment et spécifiquement exprimés dans les neurones sensoriels des DRG et ont été impliqués de façon récurrente dans le développement de la douleur neuropathique. En utilisant le modèle animal de douleur neuropathique d'épargne du nerf sural (spared nerve injury, SNI) chez la souris, j'ai observé une réduction spécifique des Nedd4-2 dans les neurones sensoriels du DRG. Cette diminution avait pour conséquence l'augmentation de l'expression des protéines et des courants de Nav 1.7 et Nav 1.8, respectivement dans l'axone et les neurones du DRG, et était donc suffisante pour créer l'hyperexcitabilité associée à la douleur neuropathique. L'invalidation pour le gène codant pour Nedd4-2 dans une lignée de souris génétiquement modifiées a conduit à de similaires augmentations de Nav1.7 et Nav1.8, parallèlement à une augmentation à la sensibilité thermique. A l'opposé, rétablir une expression normale de Nedd4-2 en utilisant un vecteur viral a eu pour effet de contrecarrer le développement de l'hypersensibilité mécanique lié à ce modèle de douleur neuropathique. Cette étude démontre le rôle important de Nedd4-2 dans la régulation de l'excitabilité cellulaire in vivo et son implication dans le développement des douleurs neuropathiques. Le rôle des sous-unités ß dans les douleurs neuropathiques a déjà été démontré dans notre groupe de recherche. A cause de leur rôle stabilisateur, l'augmentation des sous-unités ßl, ß2 et ß3 dans les DRG après SNI, conduit à une augmentation des Navs ancrés à la membrane. Dans mon travail de thèse, j'ai observé un nouveau mécanisme de régulation des sous-unités a par les sous-unités ß in vitro. Les sous-unités ßl et ß3 régulent l'état de glycosylation du canal Nav1.7, et stabilisent son expression membranaire. Ceci ouvre de nouvelles perspectives dans l'investigation de l'état de glycosylation des Navs dans des maladies impliquant les sous-unités ß, notamment les douleurs neuropathiques.

Bioinformatic study of selection in animal genomes

Les gènes orthologues divergent sur plusieurs aspects durant l'évolution. Après une revue de la littérature cherchant à montrer de la divergence entre les orthologues de l'humain et de la souris, j'ai souligné les différentes causes de cette divergence. En comparant les gènes qui divergent en fonction, je n'ai pas trouvé de lien avec la divergence des séquences, pour cette raison je me suis penché sur l'étude de l'expression. Notamment, j'ai étudié le niveau, la spécificité ainsi que la présence/absence d'expression des orthologues humain-souris liés aux maladies Mendéliennes. Malgré les similarités trouvées entre l'humain et la souris, j'ai détecté une différence d'expression spécifique à une des deux espèces liée a un phénotype précis (gène essentiel/non-essentiel). Cela m'a permis de conclure que la différence sur le plan phénotypique entre l'humain et la souris est mieux expliquée par les patrons d'expression plutôt que le niveau d'expression ou la sélection. J'ai été également intéressé par l'évolution des séquences d'ADN codantes pour des protéines, en particulier sur le rôle de la sélection. J'ai commencé par une étude sur la fiabilité de détection de la sélection positive en comparant des séquences divergentes. J'ai trouvé, en utilisant le model de branche-site que la sélection peut être détectée sur des séquences qui ont divergé il y a plus de 500 millions d'années. J'ai analysé le biais de GC entres les séquences sans trouver une influence sur l'estimation de la sélection positive. Finalement, Je crois que ce travail est une première étape dans l'établissement d'un lien entre la sélection et les patrons d'expression des gènes chez les vertébrés.

Enantio-pyochelin: a novel siderophore produced by Pseudomonas fluorescens CHA0

RESUME Pour favoriser sa croissance en condition limitante de fer, le pathogène opportunistePseudomonas aeruginosa PAO1 sécrète un sidérophore nommé pyochéline. Celui-ci estproduit par un mécanisme de "thiotemplate", à partir de l'acide salicylique et de deuxmolécules de cystéine, et existe sous forme d'une paire de diastéréoisomèresinterconvertibles: pyochéline I (4'R, 2?R, 4?R) et pyochéline II (4'R, 2?S, 4?R). Deprécédentes études ont montré que la pyochéline induit l'expression de ses propres gènes debiosynthèse via le régulateur transcriptionnel PchR qui appartient à la famille AraC/XylS. Lapyochéline est donc non seulement un sidérophore mais également une molécule signale.Nous avons découvert que Pseudomonas fluorescens CHA0 sécrète une pyochélinestéréochimiquement distincte de celle produite par P. aeruginosa. Ce nouveau sidérophorefavorise la croissance de P. fluorescens en condition limitante en fer et induit l'expression deses propres gènes de biosynthèse. Cependant, cette molécule n'est pas reconnue commesidérophore ou molécule signale par P. aeruginosa. Réciproquement, la pyochéline estincapable de stimuler la croissance et la signalisation chez P. fluorescens. La structure dusiderophore de P. fluorescens CHA0 a été déterminée comme étant un antipode optique de lapyochéline et nommé énantio-pyochéline.La stéréospécificité de l'induction des gènes de biosynthèse de la pyochéline/énantiopyochélineest basée sur la stéréospécificité des protéines PchR de P. aeruginosa et P.fluorescens envers leur sidérophores-ligands respectifs. PchR est fonctionnel chez l'espècehétérologue, mais uniquement en présence de son propre ligand. Les récepteurs spécifiquesdes sidérophores pyochéline/enantio-pyochéline ne sont pas indispensables à la signalisationmais sont essentiels à l'incorporation du fer et à la croissance en carence de fer. Laconstruction de protéines hybrides et tronquées a révélé que le domaine N-terminal de PchRest l'élément déterminant pour la spécificité de la protéine vis-à-vis de son ligand. SUMMARY : The siderophore pyochelin is produced by the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa PAO1 and promotes growth under iron limitation. Pyochelin is made by a thiotemplate mechanism from salicylate and two molecules of cysteine and exists as a pair of interconvertible diastereoisomers: pyochelin I (4'R, 2"R, 4"R) and pyochelin II (4'R, 2"S, 4"R). Pyochelin induces the expression of its biosynthesis and uptake genes via the transcriptional AraC/Xy1S family regulator PchR in a process termed pyochelin signaling. Pseudomonas fluorescens CHAO was found to make a stereochemically distinct pyochelin to P. aeruginosa. This siderophore promoted the growth of P. fluorescens under iron limitation and induced the expression of its biosynthesis genes but was not recognised as a siderophore or signaling molecule by P. aeruginosa. Reciprocally, pyochelin was unable to promote growth or signaling in P. fluorescens. The structure of the P. fluorescens CHAO siderophore was determined and found to be enantio-pyochelin, the optical antipode of pyochelin. Stereospecificity in induction of pyochelin/enantio-pyochelin biosynthesis genes was found to be due to stereospecificity of the homologous PchR proteins of P. aeruginosa and P. fluorescens towards their respective siderophore ligands. PchR was able to function in the heterologous species, but only if supplied with its native ligand. The pyochelin/enantiopyochelin receptors were not essential for signaling although both receptors are essential for iron uptake and growth under iron limitation. Construction of hybrid and truncated PchR proteins revealed that the N-terminal domain of PchR is responsible for siderophore recognition/stereospecificity.

Apprentissage automatique de la morphologie : le cas des structures racine-schème

RÉSUMÉ Cette thèse porte sur le développement de méthodes algorithmiques pour découvrir automatiquement la structure morphologique des mots d'un corpus. On considère en particulier le cas des langues s'approchant du type introflexionnel, comme l'arabe ou l'hébreu. La tradition linguistique décrit la morphologie de ces langues en termes d'unités discontinues : les racines consonantiques et les schèmes vocaliques. Ce genre de structure constitue un défi pour les systèmes actuels d'apprentissage automatique, qui opèrent généralement avec des unités continues. La stratégie adoptée ici consiste à traiter le problème comme une séquence de deux sous-problèmes. Le premier est d'ordre phonologique : il s'agit de diviser les symboles (phonèmes, lettres) du corpus en deux groupes correspondant autant que possible aux consonnes et voyelles phonétiques. Le second est de nature morphologique et repose sur les résultats du premier : il s'agit d'établir l'inventaire des racines et schèmes du corpus et de déterminer leurs règles de combinaison. On examine la portée et les limites d'une approche basée sur deux hypothèses : (i) la distinction entre consonnes et voyelles peut être inférée sur la base de leur tendance à alterner dans la chaîne parlée; (ii) les racines et les schèmes peuvent être identifiés respectivement aux séquences de consonnes et voyelles découvertes précédemment. L'algorithme proposé utilise une méthode purement distributionnelle pour partitionner les symboles du corpus. Puis il applique des principes analogiques pour identifier un ensemble de candidats sérieux au titre de racine ou de schème, et pour élargir progressivement cet ensemble. Cette extension est soumise à une procédure d'évaluation basée sur le principe de la longueur de description minimale, dans- l'esprit de LINGUISTICA (Goldsmith, 2001). L'algorithme est implémenté sous la forme d'un programme informatique nommé ARABICA, et évalué sur un corpus de noms arabes, du point de vue de sa capacité à décrire le système du pluriel. Cette étude montre que des structures linguistiques complexes peuvent être découvertes en ne faisant qu'un minimum d'hypothèses a priori sur les phénomènes considérés. Elle illustre la synergie possible entre des mécanismes d'apprentissage portant sur des niveaux de description linguistique distincts, et cherche à déterminer quand et pourquoi cette coopération échoue. Elle conclut que la tension entre l'universalité de la distinction consonnes-voyelles et la spécificité de la structuration racine-schème est cruciale pour expliquer les forces et les faiblesses d'une telle approche. ABSTRACT This dissertation is concerned with the development of algorithmic methods for the unsupervised learning of natural language morphology, using a symbolically transcribed wordlist. It focuses on the case of languages approaching the introflectional type, such as Arabic or Hebrew. The morphology of such languages is traditionally described in terms of discontinuous units: consonantal roots and vocalic patterns. Inferring this kind of structure is a challenging task for current unsupervised learning systems, which generally operate with continuous units. In this study, the problem of learning root-and-pattern morphology is divided into a phonological and a morphological subproblem. The phonological component of the analysis seeks to partition the symbols of a corpus (phonemes, letters) into two subsets that correspond well with the phonetic definition of consonants and vowels; building around this result, the morphological component attempts to establish the list of roots and patterns in the corpus, and to infer the rules that govern their combinations. We assess the extent to which this can be done on the basis of two hypotheses: (i) the distinction between consonants and vowels can be learned by observing their tendency to alternate in speech; (ii) roots and patterns can be identified as sequences of the previously discovered consonants and vowels respectively. The proposed algorithm uses a purely distributional method for partitioning symbols. Then it applies analogical principles to identify a preliminary set of reliable roots and patterns, and gradually enlarge it. This extension process is guided by an evaluation procedure based on the minimum description length principle, in line with the approach to morphological learning embodied in LINGUISTICA (Goldsmith, 2001). The algorithm is implemented as a computer program named ARABICA; it is evaluated with regard to its ability to account for the system of plural formation in a corpus of Arabic nouns. This thesis shows that complex linguistic structures can be discovered without recourse to a rich set of a priori hypotheses about the phenomena under consideration. It illustrates the possible synergy between learning mechanisms operating at distinct levels of linguistic description, and attempts to determine where and why such a cooperation fails. It concludes that the tension between the universality of the consonant-vowel distinction and the specificity of root-and-pattern structure is crucial for understanding the advantages and weaknesses of this approach.

Implication des protéines des gouttelettes lipidiques dans la résistance a l'insuline hépatique. [Involvement of protein lipid droplets in the resistance to hepatic insulin.]

Introduction : La prévalence des maladies stéatosiques non alcooliques du foie augmente de manière exponentielle dans les pays industrialisés. Le développement de ces maladies se traduit par une stéatose hépatique fréquemment associée à une résistance à l'insuline. Cette résistance a pu être expliquée par l'accumulation intra-hépatocytaire de lipides intermédiaires tels que Céramides et Diacylglycérols. Cependant, notre modèle animal de stéatose hépatique, les souris invalidées pour la protéine hépatique « Microsomal Triglyceride Transfert Protein » (Mttp Δ / Δ), ne développent pas de résistance à l'insuline, malgré une augmentation de ces lipides intermédiaires. Ceci suggère la présence d'un autre mécanisme induisant la résistance à l'insuline. Matériels et méthodes : L'analyse Microarray du foie des souris Mttp Δ / Δ a montré une forte up-régulation des gènes « Cell-death Inducing DFFA-like Effector C (cidec) », « Lipid Storage Droplet Protein 5 (lsdp5) » et « Bernardinelli-Seip Congenital Lipodystrophy 2 Homolog (seipin) » dans le foie des souris Mttp Δ / Δ. Ces gènes ont été récemment identifiés comme codant pour des protéines structurelles des gouttelettes lipidiques. Nous avons testé si ces gènes jouaient un rôle important dans le développement de la stéatose hépatique, ainsi que de la résistance à l'insuline. Résultats : Nous avons démontré que ces gènes sont fortement augmentés dans d'autres modèles de souris stéatosées tels que ceux présentant une sur-expression de ChREBP. Dans les hépatocytes murins (AML12 :Alfa Mouse Liver 12), l'invalidation de cidec et/ou seipin semble diminuer la phosphorylation d'AKT après stimulation à l'insuline, suggérant une résistance à l'insuline. Chez l'homme, l'expression de ces gènes est augmentée dans le foie de patients obèses avec stéatose hépatique. De manière intéressante, cette augmentation est atténuée chez les patients avec résistance à l'insuline. Conclusion : Ces données suggèrent que ces protéines des gouttelettes lipidiques augmentent au cours du développement de la stéatose hépatique et que cette augmentation protège contre la résistance à l'insuline.

Etude de Nkx5-3, un facteur de transcription impliqué dans le développement de l'oeil

Résumé :Une famille souffrant d'un nouveau syndrome oculo-auriculaire, appelé syndrome de Schorderet-Munier, a été identifiée. Ce syndrome est caractérisé par une déformation du lobe de l'oreille et des anomalies ophtalmiques, notamment une microphtalmie, une cataracte, un colobome et une dégénérescence rétinienne. Le gène impliqué dans ce syndrome est NKX5-3 codant un facteur de transcription contenant un homéodomaine. Chez les patient atteints, le gène comporte une délétion de 26 nucléotides provoquant probablement l'apparition d'un codon stop précoce. Ce gène n'est exprimé que dans certains organes dont les testicules et les ganglions cervicaux supérieurs, ainsi que dans les organes touchés par ce syndrome, à savoir le pavillon de l'oreille et l'oeil, surtout lors du développement embryonnaire. Au niveau de la rétine, NKX5-3 est présent dans la couche nucléaire interne et dans la couche dè cellules ganglionnaires et est exprimé de manière polarisée selon un axe temporal > nasal et ventral > dorsal. Son expression in vitro est régulée par Spl, un facteur de transcription exprimé durant le développement de l'oeil chez la souris. NKX5-3 semble lui-même provoquer une inhibition de l'expression de SHH et de EPHA6. Ces gènes sont tous les deux impliqués à leur manière dans le guidage des axones des cellules ganglionnaires de la rétine. Pris ensemble, ces résultats nous permettent donc d'émettre une hypothèse quant à un rôle potentiel de NKX5-3 dans ce processus.Abstract :A family with a new oculo-auricular syndrome, called syndrome of Schorderet-Munier, was identified. This disease is characterised by a deformation of the ear lobule and by several ophthalmic abnormalities, like microphthalmia, cataract, coloboma and a retinal degeneration. The gene, which causes this syndrome, is NKX5-3 coding for a transcription factor contaning a homeodomain. In the affectd patients, the defect consists of a deletion of 26 nucleotides probably producing a premature stop codon. This gene is only expressed in a few organs like testis and superior cervical ganglions, as well as in organs affected by this syndrome, namely the ear pinna and the eye, mainly during embryonic development. In the retina, NKX5-3 is present in the inner nuclear layer and in the ganglion cells layer. It is expressed along a gradient ranging from the temporal retina to nasal retina and from the ventral to the dorsal part. Its in vitro expression is regulated by Spl, a transcription factor expressed during the murine eye development. NKX5-3 seems to inhibit the expression of SHH and EPHA6. These genes are both implicated, in their own way, in the axon guidance of the retinal ganglion cells. Taken together, these results allow us to make an assumption about a potential role of NKX5-3 in this process.

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.

Ontogeny of Sleeping in Color - Linking melanism to sleep architecture and rhythmicity variation in wild barn owl nestlings

The function of sleep remains unknown. To gain insight into the function of sleep in natural conditions, I assessed variation in sleep architecture and its link with fitness-related phenotypic traits. I considered melanin-based coloration because its underlying genetic basis is very well known giving an opportunity to examine whether some genes pleiotropically regulate both coloration and sleep. The melanocortin system is known to generate covariation between melanin-based coloration and other phenotypes like behaviour, physiology and life history traits. I investigated whether this system of genes could participate in the co-expression of coloration and sleep. I carried out a study with nestling barn owls (Tyto alba) in order to tackle the potential link between variation in color traits and the ontogeny of sleep under natural conditions. For this I established a suitable method for recording the brain activity (electroencephalogram) of owls in nature. Birds are especially interesting, because they convergently evolved sleep states similar to those exhibited by mammals. As in mammals, I found that in owlets time spent in rapid eye movement (REM) sleep declines with age, a relationship thought to eflect developmental changes in the brain. Thus this developmental trajectory appears to reflect a fundamental feature of sleep. Additionally, I discovered an association between a gene involved in melanism expressed in the feather follicles (proprotein convertase subtilisin/kexin type 2, PCSK2) and the age-related changes in sleep in the brain. Nestlings with higher expression levels of PCSK2 showed a more precocial pattern of sleep development and a higher degree of melanin-based coloration compared to nestlings with lower PCSK2 expression. Also sleep architecture and the development of rhythmicity in brain and physical activity was related to plumage traits of the nestlings and their biological parents. This pattern during ontogeny might reflect differences in life l history strategies, antipredator behaviour and developmental pace. Therefore, differently colored individuals may differentially deal with trade-offs between the costs and benefits of sleep which in turn lead to differences in brain organization and ultimately fitness. These results should stimulate evolutionary biologists to consider sleep as a major life history trait. Résumé La fonction du sommeil reste inconnue. Afin d'acquérir une meilleur compréhension de la fonction du sommeil dans les conditions naturelles, j'ai analysé la variation dans l'architecture du sommeil et son lien avec d'autres traits phénotypiques liés au succès reproducteur (fitness). J'ai choisi et examiné la coloration mélanique, car ses bases génétiques sont bien connues et il est ainsi possible d'étudier si certains gènes, de façon pléiotropique régulent à la fois la coloration et le sommeil. J'ai exploré si ce système génétique était impliqué dans la co-expression de la coloration et du sommeil. J'ai effectué mon étude sur des poussins de chouette effraie (Tyto alba) en condition naturelle, pour rechercher ce lien potentiel entre la variation de la coloration et l'ontogenèse du sommeil. Dans ce but, j'ai établi une méthodologie permettant d'enregistrer l'activité cérébrale (électroencéphalogramme) des chouettes dans la nature. Les oiseaux sont particulièrement intéressants car ils ont développé, par évolution convergente, des phases de sommeil similaires à celles des mammifères. De manière semblable à ce qui a été montré chez les mammifères, j'ai découvert que le temps passé dans le sommeil paradoxal diminue avec l'âge des poussins. On pense que ceci est dû aux changements développementaux au niveau du cerveau. Cette trajectoire développementale semble refléter une caractéristique fondamentale du sommeil. J'ai également découvert une association entre l'un des gènes impliqué dans le mélanisme, exprimé dans les follicules plumeux (proprotein convertase subtilisin/kexin type 2, PCSK2), et les changements dans la structure du sommeil avec l'âge. Les poussins ayant un niveau d'expression génétique élevé de la PCSK2 présentent une structure du sommeil plus précoce et un taux de coloration dû à la mélanine plus élevé que des poussins avec un niveau d'expression moindre de la PCSK2. L'architecture du sommeil et le développement de la rythmicité dans le cerveau ainsi que l'activité physique sont également liés à la coloration des plumes des poussins et pourraient ainsi refléter des différences de stratégies d'histoire de vie, de comportements anti-prédateur et de vitesses développementales. Ainsi, des individus de coloration différente sembleraient traiter différemment les coûts et les bénéfices du sommeil, ce qui aurait des conséquences sur l'organisation cérébrale et pour finir, sur le succès reproducteur. Ces résultats devraient encourager les biologistes évolutionnistes à considérer le sommeil comme un important trait d'histoire de vie. Zusammenfassung Die Funktion von Schlaf ist noch unbekannt. Um mehr Einsicht in diese unter natürlichen Bedingungen zu bekommen, habe ich die Variation in der Schlafarchitektur und die Verknüpfung mit phänotypischen Merkmalen, die mit der Fitness zusammenhängen, studiert. Ich habe mir melanin-basierte Färbung angesehen, da die zugrunde liegende genetische Basis bekannt ist und somit die Möglichkeit gegeben ist, zu untersuchen, ob einige Gene beides regulieren, Färbung und Schlaf. Das melanocortin System generiert eine Kovariation zwischen melanin-basierter Färbung und anderen phänotypischer Merkmale wie Verhalten, Physiologie und Überlebensstrategien. Ich habe untersucht, ob dieses Gensystem an einer gleichzeitigen Steuerung von Färbung und Schlaf beteiligt ist. Dazu habe ich Schleiereulen (Tyto alba) studiert um einen möglichen Zusammenhang zwischen der Variation in der Pigmentierung und der Entwicklung des Schlafs unter natürlichen Bedingungen zu entdecken. Für diese Studie entwickelte ich eine Methode um die Gehirnaktivität (Elektroenzephalogramm) bei Eulen in der Natur aufzunehmen. Vögel sind besonders interessant, da sie die gleichen Schlafstadien aufweisen wie Säugetiere und diese unabhängig konvergent entwickelt haben. Genauso wie bei Säugetieren nahm die Dauer des sogenannten ,,rapid eye movement" (REM) - Schlafes mit zunehmendem Alter ab. Es wird angenommen, dass dieser Zusammenhang die Entwicklung des Gehirns widerspiegelt. Daher scheint dieses Entwicklungsmuster ein fundamentaler Aspekt von Schlaf zu sein. Zusätzlich entdeckte ich einen Zusammenhang zwischen der Aktivität eines Gens in den Federfollikeln (proprotein convertase subtilisin/kexin type 2, PCSK2), das für die Ausprägung schwarzer Punkte auf den Federn der Eulen verantwortlich ist, und den altersabhängigen Änderungen im Schlafmuster im Gehirn. Küken mit höherer Aktivität von PCSK2 zeigten eine frühreifere Schlafentwicklung und eine dunklere Färbung als Küken mit niedriger PCSK2 Aktivität. Die Architekture des Schlafes und die Entwicklung der Rhythmik im Gehirn und die der physischen Aktivität ist mit der Färbung des Gefieders von den Küken und ihren Eltern verknüpft. Dieses Muster während der Entwicklung kann Unterschiede in Überlebensstrategien, Feindabwehrverhalten und in der Entwicklungsgeschwindigkeit reflektieren. Unterschiedlich gefärbte Individuen könnten unterschiedliche Strategien haben um zwischen den Kosten und Nutzen von Schlaf zu entscheiden, was zu Unterschieden in der Gehirnstruktur führen kann und letztendlich zur Fitness. Diese Ergebnisse sollten Evolutionsbiologen stimulieren Schlaf als einen wichtigen Bestandteil des Lebens zu behandeln.

The role of the vacuolar H+ - ATPase in membrane fusion

RésuméLa H+-ATPase vacuolaire (V-ATPase) est un complexe enzymatique composé de deux secteurs multimériques (VQ et Vi) dont l'association dans la cellule est réversible. Le secteur intramembranaire de la V-ATPase (V0) interagit physiquement avec des protéines SNARE et stimule la fusion homotypique des vacuoles de la levure (lysosomes), la sécrétion de neurotransmetteurs et d'insuline, la fusion entre phagosome et lysosome ainsi que la sécrétion des corps multivésiculaires par un mécanisme inconnu. Dans cette étude j'ai identifié des résidues d'acides amines situés dans des sous-unités de V0 impliqués dans le mécanisme de fusion des vacuoles mais non essentiels pour l'acidification vacuolaire par la V-ATPase. j'ai utilisé un protocole de mutagenèse aléatoire pour produire des libraries de mutants des sous unités de V0. Ces libraries ont été analysées in vivo afin d'identifier des alleles qui permettent la translocation des protons mais produisent une vacuole fragmentée, phénotype indiquant un défaut dans la fusion membranaire. Les vacuoles des mutants ont été isolées et caractéisées en utilisant une grande variété d'outils biochimiques pour déterminer précisément l'impact des différentes mutations sur l'accomplissement d'événements clés du processus de fusion.J'ai identifié des mutations associées à des défauts spécifiques de la fusion dans plusieurs sous-unités de V0. Dans les protéolipides c, c' et c" ces mutations se concentrent dans la partie cytosolique des domaines transmembranaires. Elles renforcent les associations entre les secteurs de la V-ATPase et entre V0 et les SNAREs. Dans la fusion vacuolaire ces mutations permettent la formation de complexes SNAREs en trans mais inhibent l'induction de la fusion. Par contre, la deletion de la sous- unité d influence les étapes de la fusion qui précèdent la formation des complexes trans-SNAREs. Mes résultats démontrent que V0 joue des rôles différents dans plusieurs étapes de la fusion et que ces fonctions sont liées au système des SNAREs. Ils différencient génétiquement les activités de V0 dans la translocation des protons et dans la fusion et identifient de nombreux résidus importants pour la fusion vacuolaire. De plus, compte tenu de la grande conservation de sequence des protéolipides chez les eukaryotes les mutations identifiées dans cette l'étude apportent de nouvelles informations pour analyser la fonction de V0 dans des organismes multicellulaires pour lesquels la function catalytique de la V-ATPase est essentielle à la survie.Résumé pour le large publicLe transport de protéines et de membranes est important pour maintenir la fonction des organelles dans la cellule. Il s'excerce au niveau des vesicules. La fusion membranaire est un processus élémentaire de ce transport. Pour fusionner deux membranes, il faut la coordination de deux activités: le rapprochement et la déstabiiization des deux membranes. La collaboration d'un ensemble de proteins conservés chez les eukaryotes, est nécessaire pour catalyser ces activités. Les proteins SNAREs sont les protagonistes principaux dans la fusion membranaire. Néanmoins, d'autres protéines, comme des Rab-GTPases et des chaperonnes, sont nécessaires pour permettre ce phénomène de fusion. Toutes ces protéines sont temporairement associées avec les SNAREs et leur fonction dans la fusion membranaire est souvent directement liée à leur activité dans cette association. Le secteur transmembranaire V0 de la V-ATPase rnteragit avec des SNAREs et est essentiel pour la fusion dans une variété de systèmes modèles comme la mouche, la souris et la levure. Le secteur V0 est composé de six protéines différentes. Avec te secteur Va, qui réside dans le cytosol, il forme la V-ATPase dont la fonction principale est l'acidification des organelles par translocation des protons à travers la membrane par un mécanisme ressemblant à celui d'une pompe. V0joue un role dans la fusion membranaire, indépendamment de son activité catalytique liée au pompage des protons, et ce rôle est encore largement méconnu à ce jour. Le but de ma thèse était de mieux comprendre l'implication de V0 dans ce contexte.Pour étudier des activités liées à la V-ATPase, la levure est un excellent modèle d'étude car elle survie à une inactivation de l'enzyme alors que le meme traitement serait léthal pour des organismes multicellulaires. Dans ma thèse j'ai utilisé la fusion homotypique de la vacuole de levure comme système modèle pour étudier le rôle de V0 dans la fusion. J'ai muté des gènes qui encodent des sous- unités de V0 et les ai introduit dans des souches privées des gènes respectifs. Dans les librairies de souches portant différentes versions de ces gènes j'ai cherché des clones exprimant une V-ATPase intacte et fonctionnelle mais qui possèdent une vacuole fragmentée. Le plus souvent, une vacuole fragmentée indique un défaut dans la fusion vacuolaire. Dans les trois types de protéolipides qui composent un cylindre dans le secteur V0, j'ai trouvé des clones avec une vacuole fragmentée. Après avoir isolé les mutations responsable de ce type de morphologie vacuolaire, j'ai isolé les vacuoles de ces clones pour étudier leur activités dans différentes étapes de la fusion vacuolaire. Les résultats de ces analyses mettent en évidence une implication de V0 dans plusieurs étapes de la fusion vacuolaire. Certaines mutations sélectionnées dans mon étude inhibent une étape précoce de la fusion qui inclue la dissociation des complexes SNARE, tandis que d'autres mutations inhibent une étape tardive du processus de fusion qui inclue la transmission d'une force disruptive dans la membrane.AbstractThe membrane-integral V0 sector of the vacuolar H+-ATPase (V-ATPase) interacts with SNARE proteins. V0 stimulates fusion between yeast vacuoles (lysosomes) (Peters et al., 2001b), secretion of neurotransmitters and insulin (Hiesinger et al., 2005a, Sun-Wada et al., 2006a), phagosome-lysosome fusion (Peri and Nusslein-Volhard, 2008) and secretion of multivesicular bodies (Liegeois et al., 2006b) by a yet unknown mechanism. In my thesis, I identified sites in V0 subunits that are involved in yeast vacuole fusion but dispensable for the proton pumping by the V-ATPase. I randomly mutagenized V0 subunits and screened in vivo for mutant alleles that support proton pumping but cause fragmented vacuoles, a phenotype indicative of a fusion defect. Mutant vacuoles were isolated and analyzed in a cell-free system, allowing assay of key events in fusion, such as trans-SNARE pairing, lipid transition and fusion pore opening (Reese et al., 2005b).Mutants with selective fusion defects were found in several V0 subunits. In the proteolipids c, c' and c", critical mutations are concentated in the cytosolic half of the transmembrane domains. These mutations rendered the V-ATPase holoenzyme more stable and modulated V0-SNARE associations. In vacuole fusion critical proteolipid mutations permitted trans-SNARE pairing but impeded the induction of lipid flow between the membranes. Deletion of subunit d, by contrast, influenced early stages of fusion that precede trans-SNARE pairing. My results show that V0 acts in several steps of the fusion process and that its function is intimately connected to the SNARE system. They genetically separate the proton pump and fusion activities of V0 and identify numerous critical residues. Given the high sequence conservation of proteolipids in eukaryotic life, the identified mutations may be helpful in analyzing the fusion function of V0 also in mammalian cells, where V- ATPase pump function is essential for survival.