Dissection of local and systemic transcriptional responses to phosphate starvation in Arabidopsis.

Phosphate is a crucial and often limiting nutrient for plant growth. To obtain inorganic phosphate (P(i) ), which is very insoluble, and is heterogeneously distributed in the soil, plants have evolved a complex network of morphological and biochemical processes. These processes are controlled by a regulatory system triggered by P(i) concentration, not only present in the medium (external P(i) ), but also inside plant cells (internal P(i) ). A 'split-root' assay was performed to mimic a heterogeneous environment, after which a transcriptomic analysis identified groups of genes either locally or systemically regulated by P(i) starvation at the transcriptional level. These groups revealed coordinated regulations for various functions associated with P(i) starvation (including P(i) uptake, P(i) recovery, lipid metabolism, and metal uptake), and distinct roles for members in gene families. Genetic tools and physiological analyses revealed that genes that are locally regulated appear to be modulated mostly by root development independently of the internal P(i) content. By contrast, internal P(i) was essential to promote the activation of systemic regulation. Reducing the flow of P(i) had no effect on the systemic response, suggesting that a secondary signal, independent of P(i) , could be involved in the response. Furthermore, our results display a direct role for the transcription factor PHR1, as genes systemically controlled by low P(i) have promoters enriched with P1BS motif (PHR1-binding sequences). These data detail various regulatory systems regarding P(i) starvation responses (systemic versus local, and internal versus external P(i) ), and provide tools to analyze and classify the effects of P(i) starvation on plant physiology.

Inhibition of Notch Pathway Enhances Photoreceptor Commitment From Cultured Retinal Stem Cells

Purpose: Consequently to the principle that photoreceptors have to be at a very precise development stage to be successfully transplanted (MacLaren 2006), we are trying to mimic this development stage in vitro using retinal stem cells. The latter one isolated from the newborn mouse retina, derived from the radial glia population, which were previously isolated and characterized in our laboratory. We developed a protocol to commit these cells to the photoreceptor fate, but even if the percentage of cells expressing photoreceptor markers is high (30%), the differentiation process is incomplete so far (Merhi-Soussi 2006). Methods: In order to ameliorate photoreceptor differentiation, we hypothesized that the Notch pathway may interfere with this process by either promoting glia commitment, or maintaining an undifferentiated state. We are thus using a gamma-secretase inhibitor (DAPT), which inhibits Notch receptor cleavage and thus Notch activation. DAPT was used either during the whole differentiation stimulation, or only during a restricted period in two various retinal stem cell lines (RSC AA and RSC MP1). Results: RT-PCR performed during cell proliferation, showed the same positive expression in both cell lines for the following genes: Math3, Six3, Hes1, NeuroD, Pax6 and Notch1. Additionally, Mash1, Hes5, Prox1, Crx and Otx2 were detected in both cell lines but with a stronger expression in RSC MP1. Opposite results were obtained for Chx10. Nrl, Peripherin/RDS, GFAP and Math5 were detected neither in RSC AA, nor in RSC MP1. The constant presence of DAPT i) leads to a 233% (RSC AA) or 900% (RSC MP1) increase in peripherin/RDS-positive (photoreceptor marker) cells, compared to controls (no DAPT, n=3, P<0.02) along with a 68% (RSC AA) or 80% (RSC MP1) decrease in GFAP- positive cells (n=3, P<0.04), ii) modifies the ratio between uni-/bi- (23%) and multi- (77%) polar peripherin/RDS-positive cells to 45% and 55%, respectively, for both cell lines and iii) reduces by 50% the total cell number during the whole differentiation process for both cell lines. Conclusions: We are now exploring whether this reduction in total cell number is due to inhibition of cell proliferation or to cell death and whether photoreceptor differentiation is promoted instead of glial induction. We also want to confirm the results obtained with DAPT with RSCs isolated from Notch1-loxP mice. Such protocol may help to better mimic photoreceptor development, but this needs to be confirmed by genomic and proteomic profile analyses.

Developmental changes in the heavy subunit of neurofilaments in the corpus callosum of the cat.

In the corpus callosum of the cat, the heavy subunit of neurofilaments (NFH) can be demonstrated with the monoclonal antibody NE14, as early as P11, not at P3, and only in a few axons. At P18-19 and more markedly at P29, many more callosal axons have become positive to NE14 and this is similar to what is found in the adult. In contrast, callosal axons become positive to the neurofilament antibody SMI-32 only between P29 and P39 and remain positive in the adult. Treatment with alkaline phosphatase prevents axonal staining with NE14, but results in SMI-32 staining of a few callosal axons as early as P11, but not at P3. Between P11 and P19 the number of axons stained with SMI-32 after alkaline phosphatase treatment increases, in parallel with that of axons stained with NE14. Thus NE14 appears to recognize a phosphorylated form of NFH, while SMI-32 appears to recognize an epitope of NFH which is either masked by phosphate or inaccessible until between P29 and P39, unless the tissue is treated with alkaline phosphatase. These two forms of NFH appear towards the end of the period of massive developmental elimination of callosal axons. They are also synchronous with changes in the spacing of neurofilaments quantified in a separate ultrastructural study. These cytoskeletal changes may terminate the juvenile-labile state of callosal axons and allow further axial growth of the axon.

Improvement of rehabilitation possibilities with the MotionMaker (TM)

"MotionMaker (TM)" is a stationary programmable test and training system for the lower limbs developed at the 'Ecole Polytechnique Federale de Lausanne' with the 'Fondation Suisse pour les Cybertheses'.. The system is composed of two robotic orthoses comprising motors and sensors, and a control unit managing the trans-cutaneous electrical muscle stimulation with real-time regulation. The control of the Functional Electrical Stimulation (FES) induced muscle force necessary to mimic natural exercise is ensured by the control unit which receives a continuous input from the position and force sensors mounted on the robot. First results with control subjects showed the feasibility of creating movements by such closed-loop controlled FES induced muscle contractions. To make exercising with the MotionMaker (TM) safe for clinical trials with Spinal Cord Injured (SCI) volunteers, several original safety features have been introduced. The MotionMaker (TM) is able to identify and manage the occurrence of spasms. Fatigue can also be detected and overfatigue during exercise prevented.

Changes of MAP2 phosphorylation during brain development.

The microtubule-associated protein MAP2 is essential for development of early neuronal morphology and maintenance of adult neuronal morphology. Several splice variants exist, MAP2a-d, with a lack of MAP2a in cat brain. MAP2 is widely used as a neuronal marker. In this study we compared five monoclonal antibodies (MAbs) against MAP2. They show differences in the immunocytochemical distribution of MAP2 isoforms during development of the visual cortex and cerebellum of the cat. Local and temporal differences were seen with MAb AP18, an antibody directed against a phosphorylation-dependent epitope near the N-terminal end. In large pyramidal dendrites in visual cortex, the AP18 epitope remained in parts immunoreactive after treatment with alkaline phosphatase. Three MAbs, AP14, MT-01, and MT-02, recognized the central region of the MAP2b molecule, which is not present in MAP2c and 2d, and reacted with phosphorylation-independent epitopes. During the first postnatal week the immunostaining in cerebellum differed between antibodies in that some cellular elements in external and internal granular layers and Purkinje cells were stained to various degrees, whereas at later stages staining patterns were similar. At early stages, antibody MT-02 stained cell bodies and dendrites in cerebral cortex and cerebellum. With progressing maturation, immunoreactivity became restricted to distal parts of apical dendrites of pyramidal cells and was absent from perikarya and finer proximal dendrites in cortex. MT-02 did not stain MAP2 in cerebellum of adult animals. This study demonstrates that the immunocytochemical detection of MAP2 depends on modifications such as phosphorylation and conformational changes of the molecule, and that MAP2 staining patterns differ between MAbs. Phosphorylation and specific conformations in the molecule may be essential for modulating function and molecular stability of MAP2, and monoclonal antibodies against such sites may provide tools for studying the functional role of modifications.

The role of PLK-1 in asynchronous cell division of two-cell stage "C. elegans" embryos

Summary Acquisition of lineage-specific cell cycle duration is an important feature of metazoan development. In Caenorhabditis a/egans, differences in cell cycle duration are already apparent in two-cell stage embryos, when the larger anterior blastomere AB divides before the smaller posterior blastomere P1. This time difference is under the control of anterior-posterior (A-P) polarity cues set by the PAR proteins. The mechanism by which these cues regulate the cell cycle machinery differentially in AB and P1 are incompletely understood. Previous work established that retardation of P1 cell division is due in part to preferential activation of an ATL1/CHK-1 dependent checkpoint in P1 but how the remaining time difference is controlled was not known at the onset of my work. The principal line of work in this thesis established that differential timing relies also on a mechanism that promotes mitosis onset preferentially in AB. The polo-like kinase PLK-1, a positive regulator of mitotic entry, is distributed in an asymmetric manner in two-cell stage embryos, with more protein present in AB than in P1. We find that PLK-1 asymmetry is regulated by anterior-posterior (A-P) polarity cues through preferential protein retention in the embryo anterior. Importantly, mild inactivation of plk-1 by RNAi delays entry into mitosis in P1 but not in AB, in a manner that is independent of ATL-1/CHK-1. Together, these findings favor a model in which differential timing of mitotic entry in C. elegans embryos relies on two complementary mechanisms: ATL-1/CHK-1 dependent preferential retardation in P1 and PLK-1 dependent preferential promotion in AB, which together couple polarity cues and cell cycle progression during early development. Besides analyzing PLK-1 asymmetry and its role in differential timing of two-cells stage embryos, we also characterized t2190, a mutant that exhibits reduced differential timing between AB and P1. We found this mutant to be a new allele of par-1. Additionally, we analyzed the role of NMY-2 in regulating the asynchrony of two-cell stage embryos, which may be uncoupled from its role in A-P polarity establishment and carried out a preliminary analysis of the mechanism underlying CDC-25 asymmetry between AB and P,. Overall, our works bring new insights into the mechanism controlling cell cycle progression in early C. elegans embryos. As most of the players important in C. elegans are conserved in other organisms, analogous mechanisms may be utilized in polarized cells of other species. Résumé Au cours du développement, les processus de division cellulaire sont régulés dans l'espace et le temps afin d'aboutir à la formation d'un organisme fonctionnel. Chez les Métazoaires, l'un des mécanismes de contrôle s'effectue au niveau de la durée du cycle cellulaire, celle-ci étant specifiée selon la lignée cellulaire. L'embryon du nématode Caenorhabditis elegans apparaît comme un excellent modèle d'étude de la régulation temporelle du cycle cellulaire. En effet, suite à la première division du zygote, l'embryon est alors composé de deux cellules de taille et d'identité différentes, appelées blastomères AB et P1. Ces deux cellules vont ensuite se diviser de manière asynchrone, le grand blastomère antérieur AB se divisant plus rapidement que le petit blastomère postérieur P1. Cette asynchronie de division est sous le contrôle des protéines PAR qui sont impliquées dans l'établissement de l'axe antéro-postérieur de l'embryon. A ce jour, les mécanismes moléculaires gouvernant ce processus d'asynchronie ne sont que partiellement compris. Des études menées précédemment ont établit que le retard de division observé dans le petit blastomère postérieur P1 était dû, en partie, à l'activation préférentielle dans cette cellule de ATL-1/CHK-1, protéines contrôlant la réponse à des erreurs dans le processus de réplication de l'ADN. L'analyse des autres mécanismes responsables de la différence temporelle d'entrée en mitose des deux cellules a été entreprise au cours de cette thèse. Nous avons considéré la possibilité que l'asynchronie de division était du à l'entrée préférentielle en mitose du grand blastomère AB. Nous avons établi que la protéine kinase PLK-1 (polo-like kinase 1), impliquée dans la régulation positive de la mitose, était distribuée de manière asymétrique dans l'embryon deux cellules. PLK-1 est en effet enrichi dans le blastomère AB. Cette localisation asymétrique de PLK-1 est sous le contrôle des protéines PAR et semble établie via une rétention de PLK-1 dans la cellule AB. Par ailleurs, nous avons démontré que l'inactivation partielle de plk-7 par interférence à ARN (RNAi) conduit à un délai de l'entrée en mitose de la cellule P1 spécifiquement, indépendamment des protéines régulatrices ATL-1/CHK-1. En conclusion, nous proposons un modèle de régulation temporelle de l'entrée en mitose dans l'embryon deux cellules de C. elegans basé sur deux mécanismes complémentaires. Le premier implique l'activation préférentielle des protéines ATL-1/CHK-1, et conduit à un retard d'entrée en mitose spécifiquement dans la cellule P1. Le second est basé sur la localisation asymétrique de la protéine kinase PLK-1 dans la cellule AB et induit une entrée précoce en mitose de cette cellule. Par ailleurs, nous avons étudié un mutant appelé t2190 qui réduit la différence temporelle d'entrée en mitose entre les cellules AB et P1. Nous avons démontré que ce mutant correspondait à un nouvel allèle du Bene par-1. De plus, nous avons analysé le rôle de NMY-2, une protéine myosine qui agit comme moteur moléculaire sur les filaments d'active; dans la régulation de l'asynchronie de division des blastomères AB et P1, indépendamment de sa fonction dans l'établissement de l'axe antéro-postérieur. Par ailleurs, nous avons commencé l'étude du mécanisme moléculaire régulant la localisation asymétrique entre les cellules AB et P1 de la protéine phosphatase CDC25, qui est également un important régulateur de l'entrée en mitose. En conclusion, ce travail de thèse a permis une meilleure compréhension des mécanismes gouvernant la progression du cycle cellulaire dans l'embryon précoce de C. elegans. Etant donné que la plupart des protéines impliquées dans ces processus sont conservées chez d'autres organismes multicellulaires, il apparaît probable que les mécanismes moléculaires révélés dans cette étude soit aussi utilisés chez ceux-ci.

Developmental and metabolic brain alterations in rats exposed to bisphenol A during gestation and lactation.

In recent years, considerable research has focused on the biological effect of endocrine-disrupting chemicals. Bisphenol A (BPA) has been implicated as an endocrine-disrupting chemical (EDC) due to its ability to mimic the action of endogenous estrogenic hormones. The aim of this study was to assess the effect of perinatal exposure to BPA on cerebral structural development and metabolism after birth. BPA (1mg/l) was administered in the drinking water of pregnant dams from day 6 of gestation until pup weaning. At postnatal day 20, in vivo metabolite concentrations in the rat pup hippocampus were measured using high field proton magnetic resonance spectroscopy. Further, brain was assessed histologically for growth, gross morphology, glial and neuronal development and extent of myelination. Localized proton magnetic resonance spectroscopy ((1)H MRS) showed in the BPA-exposed rat a significant increase in glutamate concentration in the hippocampus as well as in the Glu/Asp ratio. Interestingly these two metabolites are metabolically linked together in the malate-aspartate metabolic shuttle. Quantitative histological analysis revealed that the density of NeuN-positive neurons in the hippocampus was decreased in the BPA-treated offspring when compared to controls. Conversely, the density of GFAP-positive astrocytes in the cingulum was increased in BPA-treated offspring. In conclusion, exposure to low-dose BPA during gestation and lactation leads to significant changes in the Glu/Asp ratio in the hippocampus, which may reflect impaired mitochondrial function and also result in neuronal and glial developmental alterations.

Modélisation par automate cellulaire des phénomènes diagénétiques des plateformes carbonatées : calibration et paramétrage à partir de deux cas d'études : l'Urgonien du Vercors (Crétacé inférieur, SE France) et les Calcaires Gris du Mont Compomolon (Lias, NE Italie)

Une fois déposé, un sédiment est affecté au cours de son enfouissement par un ensemble de processus, regroupé sous le terme diagenèse, le transformant parfois légèrement ou bien suffisamment pour le rendre méconnaissable. Ces modifications ont des conséquences sur les propriétés pétrophysiques qui peuvent être positives ou négatives, c'est-à-dire les améliorer ou bien les détériorer. Une voie alternative de représentation numérique des processus, affranchie de l'utilisation des réactions physico-chimiques, a été adoptée et développée en mimant le déplacement du ou des fluides diagénétiques. Cette méthode s'appuie sur le principe d'un automate cellulaire et permet de simplifier les phénomènes sans sacrifier le résultat et permet de représenter les phénomènes diagénétiques à une échelle fine. Les paramètres sont essentiellement numériques ou mathématiques et nécessitent d'être mieux compris et renseignés à partir de données réelles issues d'études d'affleurements et du travail analytique effectué. La représentation des phénomènes de dolomitisation de faible profondeur suivie d'une phase de dédolomitisation a été dans un premier temps effectuée. Le secteur concerne une portion de la série carbonatée de l'Urgonien (Barrémien-Aptien), localisée dans le massif du Vercors en France. Ce travail a été réalisé à l'échelle de la section afin de reproduire les géométries complexes associées aux phénomènes diagénétiques et de respecter les proportions mesurées en dolomite. De plus, la dolomitisation a été simulée selon trois modèles d'écoulement. En effet, la dédolomitisation étant omniprésente, plusieurs hypothèses sur le mécanisme de dolomitisation ont été énoncées et testées. Plusieurs phases de dolomitisation per ascensum ont été également simulées sur des séries du Lias appartenant aux formations du groupe des Calcaire Gris, localisées au nord-est de l'Italie. Ces fluides diagénétiques empruntent le réseau de fracturation comme vecteur et affectent préférentiellement les lithologies les plus micritisées. Cette étude a permis de mettre en évidence la propagation des phénomènes à l'échelle de l'affleurement. - Once deposited, sediment is affected by diagenetic processes during their burial history. These diagenetic processes are able to affect the petrophysical properties of the sedimentary rocks and also improve as such their reservoir capacity. The modelling of diagenetic processes in carbonate reservoirs is still a challenge as far as neither stochastic nor physicochemical simulations can correctly reproduce the complexity of features and the reservoir heterogeneity generated by these processes. An alternative way to reach this objective deals with process-like methods, which simplify the algorithms while preserving all geological concepts in the modelling process. The aim of the methodology is to conceive a consistent and realistic 3D model of diagenetic overprints on initial facies resulting in petrophysical properties at a reservoir scale. The principle of the method used here is related to a lattice gas automata used to mimic diagenetic fluid flows and to reproduce the diagenetic effects through the evolution of mineralogical composition and petrophysical properties. This method developed in a research group is well adapted to handle dolomite reservoirs through the propagation of dolomitising fluids and has been applied on two case studies. The first study concerns a mid-Cretaceous rudist and granular platform of carbonate succession (Urgonian Fm., Les Gorges du Nan, Vercors, SE France), in which several main diagenetic stages have been identified. The modelling in 2D is focused on dolomitisation followed by a dédolomitisation stage. For the second study, data collected from outcrops on the Venetian platform (Lias, Mont Compomolon NE Italy), in which several diagenetic stages have been identified. The main one is related to per ascensum dolomitisation along fractures. In both examples, the evolution of the effects of the mimetic diagenetic fluid on mineralogical composition can be followed through space and numerical time and help to understand the heterogeneity in reservoir properties. Carbonates, dolomitisation, dédolomitisation, process-like modelling, lattice gas automata, random walk, memory effect.

Bacterial variations on the methionine salvage pathway.

BACKGROUND: The thiomethyl group of S-adenosylmethionine is often recycled as methionine from methylthioadenosine. The corresponding pathway has been unravelled in Bacillus subtilis. However methylthioadenosine is subjected to alternative degradative pathways depending on the organism. RESULTS: This work uses genome in silico analysis to propose methionine salvage pathways for Klebsiella pneumoniae, Leptospira interrogans, Thermoanaerobacter tengcongensis and Xylella fastidiosa. Experiments performed with mutants of B. subtilis and Pseudomonas aeruginosa substantiate the hypotheses proposed. The enzymes that catalyze the reactions are recruited from a variety of origins. The first, ubiquitous, enzyme of the pathway, MtnA (methylthioribose-1-phosphate isomerase), belongs to a family of proteins related to eukaryotic intiation factor 2B alpha. mtnB codes for a methylthioribulose-1-phosphate dehydratase. Two reactions follow, that of an enolase and that of a phosphatase. While in B. subtilis this is performed by two distinct polypeptides, in the other organisms analyzed here an enolase-phosphatase yields 1,2-dihydroxy-3-keto-5-methylthiopentene. In the presence of dioxygen an aci-reductone dioxygenase yields the immediate precursor of methionine, ketomethylthiobutyrate. Under some conditions this enzyme produces carbon monoxide in B. subtilis, suggesting a route for a new gaseous mediator in bacteria. Ketomethylthiobutyrate is finally transaminated by an aminotransferase that exists usually as a broad specificity enzyme (often able to transaminate aromatic aminoacid keto-acid precursors or histidinol-phosphate). CONCLUSION: A functional methionine salvage pathway was experimentally demonstrated, for the first time, in P. aeruginosa. Apparently, methionine salvage pathways are frequent in Bacteria (and in Eukarya), with recruitment of different polypeptides to perform the needed reactions (an ancestor of a translation initiation factor and RuBisCO, as an enolase, in some Firmicutes). Many are highly dependent on the presence of oxygen, suggesting that the ecological niche may play an important role for the existence and/or metabolic steps of the pathway, even in phylogenetically related bacteria. Further work is needed to uncover the corresponding steps when dioxygen is scarce or absent (this is important to explore the presence of the pathway in Archaea). The thermophile T. tengcongensis, that thrives in the absence of oxygen, appears to possess the pathway. It will be an interesting link to uncover the missing reactions in anaerobic environments.

Simulation of stromatolite growth using diffusion-limited aggregation and a discrete model of biogeochemical exchanges in microbial mat

Resume : Mieux comprendre les stromatolithes et les tapis microbiens est un sujet important en biogéosciences puisque cela aide à l'étude des premières formes de vie sur Terre, a mieux cerner l'écologie des communautés microbiennes et la contribution des microorganismes a la biominéralisation, et même à poser certains fondements dans les recherches en exobiologie. D'autre part, la modélisation est un outil puissant utilisé dans les sciences naturelles pour appréhender différents phénomènes de façon théorique. Les modèles sont généralement construits sur un système d'équations différentielles et les résultats sont obtenus en résolvant ce système. Les logiciels disponibles pour implémenter les modèles incluent les logiciels mathématiques et les logiciels généraux de simulation. L'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles et des logiciels pour aider a comprendre, via la simulation, le fonctionnement des stromatolithes et des tapis microbiens. Ces logiciels ont été développés en C++ en ne partant d'aucun pré-requis de façon a privilégier performance et flexibilité maximales. Cette démarche permet de construire des modèles bien plus spécifiques et plus appropriés aux phénomènes a modéliser. Premièrement, nous avons étudié la croissance et la morphologie des stromatolithes. Nous avons construit un modèle tridimensionnel fondé sur l'agrégation par diffusion limitée. Le modèle a été implémenté en deux applications C++: un moteur de simulation capable d'exécuter un batch de simulations et de produire des fichiers de résultats, et un outil de visualisation qui permet d'analyser les résultats en trois dimensions. Après avoir vérifié que ce modèle peut en effet reproduire la croissance et la morphologie de plusieurs types de stromatolithes, nous avons introduit un processus de sédimentation comme facteur externe. Ceci nous a mené a des résultats intéressants, et permis de soutenir l'hypothèse que la morphologie des stromatolithes pourrait être le résultat de facteurs externes autant que de facteurs internes. Ceci est important car la classification des stromatolithes est généralement fondée sur leur morphologie, imposant que la forme d'un stromatolithe est dépendante de facteurs internes uniquement (c'est-à-dire les tapis microbiens). Les résultats avancés dans ce mémoire contredisent donc ces assertions communément admises. Ensuite, nous avons décidé de mener des recherches plus en profondeur sur les aspects fonctionnels des tapis microbiens. Nous avons construit un modèle bidimensionnel de réaction-diffusion fondé sur la simulation discrète. Ce modèle a été implémenté dans une application C++ qui permet de paramétrer et exécuter des simulations. Nous avons ensuite pu comparer les résultats de simulation avec des données du monde réel et vérifier que le modèle peut en effet imiter le comportement de certains tapis microbiens. Ainsi, nous avons pu émettre et vérifier des hypothèses sur le fonctionnement de certains tapis microbiens pour nous aider à mieux en comprendre certains aspects, comme la dynamique des éléments, en particulier le soufre et l'oxygène. En conclusion, ce travail a abouti à l'écriture de logiciels dédiés à la simulation de tapis microbiens d'un point de vue tant morphologique que fonctionnel, suivant deux approches différentes, l'une holistique, l'autre plus analytique. Ces logiciels sont gratuits et diffusés sous licence GPL (General Public License). Abstract : Better understanding of stromatolites and microbial mats is an important topic in biogeosciences as it helps studying the early forms of life on Earth, provides clues re- garding the ecology of microbial ecosystems and their contribution to biomineralization, and gives basis to a new science, exobiology. On the other hand, modelling is a powerful tool used in natural sciences for the theoretical approach of various phenomena. Models are usually built on a system of differential equations and results are obtained by solving that system. Available software to implement models includes mathematical solvers and general simulation software. The main objective of this thesis is to develop models and software able to help to understand the functioning of stromatolites and microbial mats. Software was developed in C++ from scratch for maximum performance and flexibility. This allows to build models much more specific to a phenomenon rather than general software. First, we studied stromatolite growth and morphology. We built a three-dimensional model based on diffusion-limited aggregation. The model was implemented in two C++ applications: a simulator engine, which can run a batch of simulations and produce result files, and a Visualization tool, which allows results to be analysed in three dimensions. After verifying that our model can indeed reproduce the growth and morphology of several types of stromatolites, we introduced a sedimentation process as an external factor. This lead to interesting results, and allowed to emit the hypothesis that stromatolite morphology may be the result of external factors as much as internal factors. This is important as stromatolite classification is usually based on their morphology, imposing that a stromatolite shape is dependant on internal factors only (i.e. the microbial mat). This statement is contradicted by our findings, Second, we decided to investigate deeper the functioning of microbial mats, We built a two-dimensional reaction-diffusion model based on discrete simulation, The model was implemented in a C++ application that allows setting and running simulations. We could then compare simulation results with real world data and verify that our model can indeed mimic the behaviour of some microbial mats. Thus, we have proposed and verified hypotheses regarding microbial mats functioning in order to help to better understand them, e.g. the cycle of some elements such as oxygen or sulfur. ln conclusion, this PhD provides a simulation software, dealing with two different approaches. This software is free and available under a GPL licence.

Sputum containing zinc enhances carbapenem resistance, biofilm formation and virulence of Pseudomonas aeruginosa.

Pseudomonas aeruginosa chronic lung infections are the leading cause of mortality in cystic fibrosis patients, a serious problem which is notably due to the numerous P. aeruginosa virulence factors, to its ability to form biofilms and to resist the effects of most antibiotics. Production of virulence factors and biofilm formation by P. aeruginosa is highly coordinated through complex regulatory systems. We recently found that CzcRS, the zinc and cadmium-specific two-component system is not only involved in metal resistance, but also in virulence and carbapenem antibiotic resistance in P. aeruginosa. Interestingly, zinc has been shown to be enriched in the lung secretions of cystic fibrosis patients. In this study, we investigated whether zinc might favor P. aeruginosa pathogenicity using an artificial sputum medium to mimic the cystic fibrosis lung environment. Our results show that zinc supplementation triggers a dual P. aeruginosa response: (i) it exacerbates pathogenicity by a CzcRS two-component system-dependent mechanism and (ii) it stimulates biofilm formation by a CzcRS-independent mechanism. Furthermore, P. aeruginosa cells embedded in these biofilms exhibited increased resistance to carbapenems. We identified a novel Zn-sensitive regulatory circuit controlling the expression of the OprD porin and modifying the carbapenem resistance profile. Altogether our data demonstrated that zinc levels in the sputum of cystic fibrosis patients might aggravate P. aeruginosa infection. Targeting zinc levels in sputum would be a valuable strategy to curb the increasing burden of P. aeruginosa infections in cystic fibrosis patients.

Phosphorylation-dependent dimerization and subcellular localization of islet-brain 1/c-Jun N-terminal kinase-interacting protein 1.

Islet-brain 1 [IB1; also termed c-Jun N-terminal kinase (JNK)-interacting protein 1 (JIP-1] is involved in the apoptotic signaling cascade of JNK and functions as a scaffold protein. It organizes several MAP kinases and the microtubule-transport motor protein kinesin and relates to other signal-transducing molecules such as the amyloid precursor protein. Here we have identified IB1/JIP-1 using different antibodies that reacted with either a monomeric or a dimeric form of IB1/JIP-1. By immunoelectron microscopy, differences in the subcellular localization were observed. The monomeric form was found in the cytoplasmic compartment and is associated with the cytoskeleton and with membranes, whereas the dimeric form was found in addition in nuclei. After treatment of mouse brain homogenates with alkaline phosphatase, the dimeric form disappeared and the monomeric form decreased its molecular weight, suggesting that an IB1/JIP-1 dimerization is phosphorylation dependent and that IB1 exists in several phospho- forms. N-methyl-D-aspartate receptor activation induced a dephosphorylation of IB1/JIP-1 in primary cultures of cortical neurons and reduced homodimerization. In conclusion, these data suggest that IB1/JIP-1 monomers and dimers may differ in compartmental localization and thus function as a scaffold protein of the JNK signaling cascade in the cytoplasm or as a transcription factor in nuclei.

Immunology of viral disease, how to curb persistent infection

1. 1. Summaries 1.1. Preamble and extended abstract The present thesis dissertation addresses the question of antiviral immunity from the particular standpoint of the adaptive T cell-mediated immune response. The experimental work is presented in the form of three published articles (two experimental articles and one review article, see sections 4.1, 4.2 and 4.3 on pages 73, 81 and 91, respectively), describing advances both in our understanding of viral control by CD8 T lymphocytes, and in vaccine development against the Human Immunodeficiency Virus Type 1 (HIV-1). Because the articles focus on rather specialized areas of antiviral immunity, the article sections are preceded by a general introduction (section 3) on the immune system in general, and on four viruses that were addressed in the experimental work, namely HIV-1, Cytomegalovirus (CMV), Epstein Barr Virus (EBV) and Influenzavirus (Flu). This introduction section is aimed at providing a glimpse on viral molecular biology and immunity, to help the hypothetical non-expert reader proceeding into the experimental part. For this reason, each section is presented as individual entity and can be consulted separately. The four viruses described are of peculiar relevance to immunity because they induce an array of opposite host responses. Flu causes a self limiting disease after which the virus is eradicated. CMV and EBV cause pauci-symptomatic or asymptomatic diseases after which the viruses establish lifelong latency in the host cells, but are kept in check by immunity. Eventually, HIV-1 establishes both latency - by inserting its genome into the host cell chromosome - and proceeds in destroying the immune system in a poorly controlled fashion. Hence, understanding the fundamental differences between these kinds of viral host interactions might help develop new strategies to curb progressive diseases caused by viruses such as HIV-1. Publication #1: The first article (section 4.1, page 73) represents the main frame of my laboratory work. It analyses the ability of CD8 T lymphocytes recovered from viral-infected patients to secrete interferon γ (IFN-γ) alone or in conjunction with interleukin 2 (IL-2) when exposed in vitro to their cognate viral antigens. CD8 T cells are instrumental in controlling viral infection. They can identify infected cells by detecting viral antigens presented at the surface of the infected cells, and eliminate both the cell and its infecting virus by triggering apoptosis and/or lysis of the infected cell. Recognition of these antigens triggers the cognate CD8 cells to produce cytokines, including IFN-γ and IL-2, which in turn attract and activate other pro-inflammatory cells. IFN-γ triggers both intrinsic antiviral activity of the infected cells and distant activation of pro-inflammatory cells, which are important for the eradication of infection. IL-2 is essential for clonal expansion of the antigen (Ag)-specific CD8 T cell. Hence the existence of Ag-specific CD8 cells secreting both IFN-γand IL-2 should be beneficial for controlling infection. In this first work we determined the percentage of IFN-y/IL-2 double positive and single IFN-γsecreting CD8 T cells against antigens HIV-1, CMV, EBV and Flu in three groups of subjects: (i) HIV-1 infected patients progressing to disease (progressors), (ii) HIV-1-infected subjects not progressing to disease (long-term non progressors or LTNP), and (iii) HIV negative blood donors. The results disclosed a specific IFN-y/IL-2 double positive CD8 response in all subjects able to control infection. In other words, IFN-y/IL-2 double positive CD8 cells were present in virus-specific CD8 T cells against Flu, CMV and EBV as well against HIV-1 in LTNP. In contrast, progressors only had single IFN-γsecreting CD8 T cells. Hence, the ability to develop an IFN-y/IL-2 double positive response might be critical to control infection, independently of the nature of the virus. Additional experiments helped identify the developmental stage of the missing cells (using different markers such as CD45RA and CCR7) and showed a correlation between the absence of IL-2 secreting CD8 T cells and a failure in the proliferation capacity of virus-specific CD8 T cells. Addition of exogenous IL-2 could restore clonal expansion of HIV-1 specific CD8 T cells, at least in vitro. It could further been shown, that IL-2 secreting CD8 T cells are sufficient to support proliferation even in absence of CD4 help. However, the reason for the missing IFN-y/IL-2 double positive CD8 T cell response in HIV-1 progessors has yet to be determined. Publication #2: The second article (section 4.2, page 81) explores new strategies to trigger CD8 T cell immunity against specific HIV-1 proteins believed to be processed and exposed as "infection signal" at the surface of infected cells. Such signals consist of peptide fragments (8- 13 amino acids) originating from viral proteins and presented to CD8 T cells in the frame of particular cell surface molecules of the major histocompatibility complex class I* (MHC I). To mimic "natural" viral infection, the HIV-1 polyprotein Gagpolnef was inserted and expressed in either of two attenuated viruses i.e. vaccinia virus (MVA) or poxvirus (NYVAC). Mice were infected with these recombinant viruses and specific CD8 T cell response to Gagpolnef peptides was sought. Mice could indeed mount a CD8 T cell response against the HIV-1 antigens, indicating that the system worked, at least in this animal model. To further test whether peptides from Gagpolnef could also be presented in the frame of the human MHC class I proteins, a second round of experiments was performed in "humanized" transgenic mice expressing human MHC molecules. The transgenic mice were also able to load Gagpolnef peptides on their human MHC molecule, and these cells could be detected and destroyed by Ag-specific CD8 T cells isolated from HIV-1-infected patients. Therefore, expressing Gagpolnef on attenuated recombinant viruses might represent a valid strategy for anti-HIV-1 immunization in human. Publication #3: This is a review paper (section 4.3, page 91) describing the immune response to CMV and newly developed methods to detect this cellular immune response. Some of it focuses on the detection of T cells by using in vitro manufactured tetramers. These consist of four MHC class I molecules linked together and loaded with the appropriate antigenic peptide. The tetramer can be labeled with a fluorochrome and analyzed with a fluorescence-activated cell sorter. Taken together, the work presented indicates that (i) an appropriate CD8 T cell response consisting of IFN-y/IL-2 double positive effectors, can potentially control viral infection, including HIV-1 infection, (ii) such a response might be triggered by recombinant viral vaccines, and (iii) CD8 T cell response can be monitored by a variety of techniques, including recently-developed MHC class I tetramers. 1. 2. Préambule et résumé élargi Le présent travail de thèse s'intéresse à l'immunité antivirale du point de vue particulier de la réponse adaptative des cellules T. Le travail expérimental est présenté sous la forme de trois articles publiés (2 articles expérimentaux et 1 article de revue, voir sections 4.1, 4.2 et 4.3, pages 58, 66 et 77, respectivement), décrivant des progrès dans la compréhension du contrôle de l'infection virale par les lymphocytes T CD8, ainsi que dans le développement de nouveaux vaccins contre le Virus d'Immunodéficience de Humaine de type 1 (VIH-1). En raison du caractère spécialisé de l'immunité antivirale de type cellulaire, les articles sont précédés par une introduction générale (section 3), dont le but est de pourvoir le lecteur non avisé avec des bases nécessaire à une meilleure appréhension du travail expérimental. Cette introduction présente les grandes lignes du système immunitaire, et décrit de façon générale les 4 virus utilisés dans le travail expérimental: à savoir le virus VIH-1, le Cytomégalovirus (CMV), le virus Epstein Barr (EBV) et le virus Influenza A (Flu). Toutes les sections sont présentées de façon individuelle et peuvent être consultées séparément. La description des 4 virus a une pertinence particulière quant à leur interaction avec le système immun. En effet, ils induisent une panoplie de réponses immunitaires s'étendant aux extrêmes de la réaction de l'hôte. Influenza A est à l'origine d'une maladie cytopathique aiguë, au décours de laquelle le virus est éradiqué par l'hôte. CMV et EBV sont classiquement à l'origine d'infections pauci-symptomatiques, voire asymptomatiques, après lesquelles les virus persistent de façon latente dans la cellule hôte. Cependant, ils restent sous le contrôle du système immun, qui peut prévenir une éventuelle réactivation. Enfin, VIH-1 s'établit à la fois en infection latente - par l'insertion de son génome dans le chromosome des cellules hôtes - et en infection productive et cytopathique, échappant au contrôle immunitaire et détruisant ses cellules cibles. La compréhension des différences fondamentales entre ces différents types d'interactions virus-hôte devraient faciliter le développement de nouvelles stratégies antivirales. Article 1: Le premier article (section 4.1 Page 58) représente l'objet principal de mon travail de laboratoire. Il analyse la capacité des lymphocytes T CD8 spécifiques de différent virus à sécréter de l'interféron gamma (IFN-y) et/ou de l'interleukine 2 (IL-2) après stimulation par leur antigène spécifique. Les cellules T CD8 jouent un rôle crucial dans le contrôle des infections virales. Elles identifient les cellules infectées en détectant des antigènes viraux présentés à la surface de ces mêmes cellules, et éliminent à la fois les cellules infectées et les virus qu'elles contiennent en induisant l'apoptose et/ou la lyse des cellules cibles. Parallèlement, l'identification de l'antigène par la cellule T CD8 la stimule à sécréter des cytokines. L'IFN-γen est un exemple. L'IFN-γ stimule les cellules infectées à développer une activé antivirale intrinsèque. De plus, il attire sur place d'autres cellules de l'inflammation, et active leur fonction d'éradication des pathogènes. L'IL-2 est un autre exemple. L'IL-2 est essentielle à l'expansion clonale des cellules T CD8 spécifiques à un virus donné. Elle est donc essentielle à augmenter le pool de lymphocytes antiviraux. En conséquence, la double capacité de sécréter de l'IFN-γ et de IL-2 pourrait être un avantage pour le contrôle antiviral par les cellules T CD8. Dans ce travail nous avons comparé les proportions de lymphocytes T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2) et simples positifs (IFN-γ) chez trois groupes de sujets: (i) des patients infectés par VIH-1 qui ne contrôlent pas l'infection (progresseurs), (ii) des patients infectés par VIH-1, mais contrôlant l'infection malgré l'absence de traitement ("long term non progressors" [LTNP]) et (iii) des donneurs de sang négatifs pour l'infection à VIH-1. Les résultats ont montré que les individus capables de contrôler une infection possédaient des cellules T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2), alors que les patients ne contrôlant pas l'infection procédaient prioritairement des CD8 simples positifs (IFN-γ). Spécifiquement, les lymphocytes T spécifiques pour Flu, CMV, EBV, et VII-1-1 chez les LTNP étaient tous IFN-γ/IL-2 doubles positifs. Au contraire, les lymphocytes T CD8 spécifique à VIH-1 étaient IFN-γ simples positifs chez les progresseurs. La capacité de développer une réponse IFN-γ/IL-2 pourraient être primordiale pour le contrôle de l'infection, indépendamment de la nature du virus. En effet, il a été montré que l'absence de sécrétion d'IL2 par les lymphocytes T CD8 corrélait avec leur incapacité de proliférer. Dans nos mains, cette prolifération a pu être restaurée in vitro par l'adjonction exogène d'IL-2. Toutefois, la faisabilité de ce type de complémentation in vivo n'est pas claire. Des expériences additionnelles ont permis de préciser de stade de développement des lymphocytes doubles positifs et simples positifs par le biais des marqueurs CD45RA et CCR7. Il reste maintenant à comprendre pourquoi certains lymphocytes T CD8 spécifiques sont incapables à sécréter de l'IL-2. Article 2: Le deuxième article explore des nouvelles stratégies pour induire une immunité T CD8 spécifique aux protéines du VIH-1, qui sont édités et exposés à la surface des cellules infectées. Ces signaux consistent en fragments de peptide de 8-13 acide aminés provenant de protéines virales, et exposées à la surface des cellules infectées dans le cadre des molécules spécialisées d'histocompatibilité de classe I (en anglais "major histocompatibility class I" ou MHC I). Pour mimer une infection virale, la polyprotéine Gagpolnef du VIH-1 a été insérée et exprimée dans deux vecteurs viraux atténués, soit MVA (provenant de vaccinia virus) ou NYVAC (provenant d'un poxvirus). Ensuite des souris ont été infectées avec ces virus recombinants et la réponse T CD8 aux peptides issus de Gagpolnef a été étudiée. Les souris ont été capables de développer une réponse de type CD8 T contre ces antigènes du VIH-1. Pour tester si ces antigènes pouvaient aussi être présentés par dans le cadre de molécules MHC humaines, des expériences supplémentaires ont été faites avec des souris exprimant un MHC humain. Les résultats de ces manipulations ont montré que des cellules T CD8 spécifique aux protéines du VIH pouvaient être détectées. Ce travail ouvre de nouvelles options quant à l'utilisation des virus recombinants exprimant Gagpolnef comme stratégie vaccinale contre le virus VIH-I chez l'homme. Article 3: Ces revues décrivent la réponse immunitaire à CMV ainsi que des nouvelles méthodes pouvant servir à sa détection. Une partie du manuscrit décrit la détection de cellule T à l'aide de tétramères. Il s'agit de protéines chimériques composées de 4 quatre molécules MHC liées entre elles. Elles sont ensuite "chargées" avec le peptide antigénique approprié, et utilisée pour détecter les cellules T CD8 spécifiques à ce montage. Elles sont aussi marquées par un fluorochrome, qui permet une analyse avec un cytomètre de flux, et l'isolement ultime des CD8 d'intérêt. En résumé, le travail présenté dans cette thèse indique que (i) une réponse T CD8 appropriée - définie par la présence des cellules effectrices doublement positives pour l'IFN-γ et l'IL-2 - semble indispensable pour le contrôle des infections virales, y compris par le VIH-1, (ii) une telle réponse peut être induite par des vaccin viral recombinant, et (iii) la réponse T CD8 peut être analysée et suivie grâce à plusieurs techniques, incluant celle des tétramères de MHC class I. 1.3. Résumé pour un large public Le système immunitaire humain est composé de différents éléments (cellules, tissus et organes) qui participent aux défenses de l'organisme contre les pathogènes (bactéries, virus). Parmi ces cellules, les lymphocytes T CD8, également appelés cellules tueuses, jouent un rôle important dans la réponse immunitaire et le contrôle des infections virales. Les cellules T CD8 reconnaissent de manière spécifique des fragments de protéines virales qui sont exposés à la surface des cellules infectées par le virus. Suite à cette reconnaissance, les cellules T CD8 sont capables de détruire et d'éliminer ces cellules infectées, ainsi que les virus qu'elles contiennent. Dans le contexte d'une infection par le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), le virus responsable du SIDA, il a pu être montré que la présence des cellules T CD8 est primordiale. En effet, en l'absence de ces cellules, les individus infectés par le VIH progressent plus rapidement vers le SIDA. Au cours de la vie, l'Homme est exposé à plusieurs virus. Mais à l'opposé du VIH, certains d'entre eux ne causent pas des maladies graves : par exemple le virus de la grippe (Influenza), le cytomégalovirus ou encore le virus d'Epstein-Barr. Certains de ces virus peuvent être contrôlés et éliminés de l'organisme (p. ex. le virus de la grippe), alors que d'autres ne sont que contrôlés par notre système immunitaire et restent présents en petite quantité dans le corps sans avoir d'effet sur notre santé. Le sujet de mon travail de thèse porte sur la compréhension du mécanisme de contrôle des infections virales par le système immunitaire : pourquoi certains virus peuvent être contrôlés ou même éliminés de l'organisme alors que d'autres, et notamment le VIH, ne le sont pas. Ce travail a permis de démontrer que les cellules T CD8 spécifiques du VIH ne sécrètent pas les mêmes substances, nécessaires au développement d'une réponse antivirale efficace, que les cellules T CD8 spécifiques des virus contrôlés (le virus de la grippe, le cytomégalovirus et le virus d'Epstein-Barr). Parallèlement nous avons également observé que les lymphocytes T CD8 spécifiques du VIH ne possèdent pas la capacité de se diviser. Ils sont ainsi incapables d'être présents en quantité suffisante pour assurer un combat efficace contre le virus du SIDA. La (les) différence(s) entre les cellules T CD8 spécifiques aux virus contrôlés (grippe, cytomégalovirus et Epstein-Barr) et au VIH pourront peut-être nous amener à comprendre comment restaurer une immunité efficace contre ce dernier.

Identification and mutational analyses of phosphorylation sites of the calcineurin-binding protein CbpA and the identification of domains required for calcineurin binding in Aspergillus fumigatus.

Calcineurin is a key protein phosphatase required for hyphal growth and virulence in Aspergillus fumigatus, making it an attractive antifungal target. However, currently available calcineurin inhibitors, FK506 and cyclosporine A, are immunosuppressive, limiting usage in the treatment of patients with invasive aspergillosis. Therefore, the identification of endogenous inhibitors of calcineurin belonging to the calcipressin family is an important parallel strategy. We previously identified the gene cbpA as the A. fumigatus calcipressin member and showed its involvement in hyphal growth and calcium homeostasis. However, the mechanism of its activation/inhibition through phosphorylation and its interaction with calcineurin remains unknown. Here we show that A. fumigatus CbpA is phosphorylated at three distinct domains, including the conserved SP repeat motif (phosphorylated domain-I; PD-I), a filamentous fungal-specific domain (PD-II), and the C-terminal CIC motif (Calcipressin Inhibitor of Calcineurin; PD-III). While mutation of three phosphorylated residues (Ser208, Ser217, Ser223) in the PD-II did not affect CbpA function in vivo, mutation of the two phosphorylated serines (Ser156, Ser160) in the SP repeat motif caused reduced hyphal growth and sensitivity to oxidative stress. Mutational analysis in the key domains in calcineurin A (CnaA) and proteomic interaction studies confirmed the requirement of PxIxIT motif-binding residues (352-NIR-354) and the calcineurin B (CnaB)-binding helix residue (V371) for the binding of CbpA to CnaA. Additionally, while the calmodulin-binding residues (442-RVF-444) did not affect CbpA binding to CnaA, three mutations (T359P, H361L, and L365S) clustered between the CnaA catalytic and the CnaB-binding helix were also required for CbpA binding. This is the first study to analyze the phosphorylation status of calcipressin in filamentous fungi and identify the domains required for binding to calcineurin.