Multimodal MRI analysis of structural and functional networks in the human brain : application to two clinical studies : driving abilities under THC intoxication and early white matter changes in FXTAS

Les approches multimodales dans l'imagerie cérébrale non invasive sont de plus en plus considérées comme un outil indispensable pour la compréhension des différents aspects de la structure et de la fonction cérébrale. Grâce aux progrès des techniques d'acquisition des images de Resonance Magnetique et aux nouveaux outils pour le traitement des données, il est désormais possible de mesurer plusieurs paramètres sensibles aux différentes caractéristiques des tissues cérébraux. Ces progrès permettent, par exemple, d'étudier les substrats anatomiques qui sont à la base des processus cognitifs ou de discerner au niveau purement structurel les phénomènes dégénératifs et développementaux. Cette thèse met en évidence l'importance de l'utilisation d'une approche multimodale pour étudier les différents aspects de la dynamique cérébrale grâce à l'application de cette approche à deux études cliniques: l'évaluation structurelle et fonctionnelle des effets aigus du cannabis fumé chez des consommateurs réguliers et occasionnels, et l'évaluation de l'intégrité de la substance grise et blanche chez des jeunes porteurs de la prémutations du gène FMR1 à risque de développer le FXTAS (Fragile-X Tremor Ataxia Syndrome). Nous avons montré que chez les fumeurs occasionnels de cannabis, même à faible concentration du principal composant psychoactif (THC) dans le sang, la performance lors d'une tâche visuo-motrice est fortement diminuée, et qu'il y a des changements dans l'activité des trois réseaux cérébraux impliqués dans les processus cognitifs: le réseau de saillance, le réseau du contrôle exécutif, et le réseau actif par défaut (Default Mode). Les sujets ne sont pas en mesure de saisir les saillances dans l'environnement et de focaliser leur attention sur la tâche. L'augmentation de la réponse hémodynamique dans le cortex cingulaire antérieur suggère une augmentation de l'activité introspective. Une investigation des ef¬fets au niveau cérébral d'une exposition prolongée au cannabis, montre des changements persistants de la substance grise dans les régions associées à la mémoire et au traitement des émotions. Le niveau d'atrophie dans ces structures corrèle avec la consommation de cannabis au cours des trois mois précédant l'étude. Dans la deuxième étude, nous démontrons des altérations structurelles des décennies avant l'apparition du syndrome FXTAS chez des sujets jeunes, asymptomatiques, et porteurs de la prémutation du gène FMR1. Les modifications trouvées peuvent être liées à deux mécanismes différents. Les altérations dans le réseau moteur du cervelet et dans la fimbria de l'hippocampe, suggèrent un effet développemental de la prémutation. Elles incluent aussi une atrophie de la substance grise du lobule VI du cervelet et l'altération des propriétés tissulaires de la substance blanche des projections afférentes correspondantes aux pédoncules cérébelleux moyens. Les lésions diffuses de la substance blanche cérébrale peu¬vent être un marquer précoce du développement de la maladie, car elles sont liées à un phénomène dégénératif qui précède l'apparition des symptômes du FXTAS. - Multimodal brain imaging is becoming a leading tool for understanding different aspects of brain structure and function. Thanks to the advances in Magnetic Resonance imaging (MRI) acquisition schemes and data processing techniques, it is now possible to measure different parameters sensitive to different tissue characteristics. This allows for example to investigate anatomical substrates underlying cognitive processing, or to disentangle, at a pure structural level degeneration and developmental processes. This thesis highlights the importance of using a multimodal approach for investigating different aspects of brain dynamics by applying this approach to two clinical studies: functional and structural assessment of the acute effects of cannabis smoking in regular and occasional users, and grey and white matter assessment in young FMR1 premutation carriers at risk of developing FXTAS. We demonstrate that in occasional smokers cannabis smoking, even at low concentration of the main psychoactive component (THC) in the blood, strongly decrease subjects' performance on a visuo-motor tracking task, and globally alters the activity of the three brain networks involved in cognitive processing: the Salience, the Control Executive, and the Default Mode networks. Subjects are unable to capture saliences in the environment and to orient attention to the task; the increase in Hemodynamic Response in the Anterior Cingulate Cortex suggests an increase in self-oriented mental activity. A further investigation on long term exposure to cannabis, shows a persistent grey matter modification in brain regions associated with memory and affective processing. The degree of atrophy in these structures also correlates with the estimation of drug use in the three months prior the participation to the study. In the second study we demonstrate structural changes in young asymptomatic premutation carriers decades before the onset of FXTAS that might be related to two different mechanisms. Alteration of the cerebellar motor network and of the hippocampal fimbria/ fornix, may reflect a potential neurodevelopmental effect of the premutation. These include grey matter atrophy in lobule VI and modification of white matter tissue property in the corresponding afferent projections through the Middle Cerebellar Peduncles. Diffuse hemispheric white matter lesions that seem to appear closer to the onset of FXTAS and be related to a neurodegenerative phenomenon may mark the imminent onset of FXTAS.

Epigenetic alterations and constitutive Wnt signaling are early events in the progression from Barrett's esophagus to esophageal adenocarcinoma

SUMMARY Barrett's esophagus (BE) is an acquired condition in which the normal squamous epithelium in the distal esophagus is replaced by a metaplastic columnar epithelium, as a complication of chronic gastroesophageal reflux. The clinical significance of this disease is its associated predisposition to esophageal adenocarcinoma (EAC). EAC is a highly lethal disease. Better understanding of the pathogenesis of columnar metaplasia and its progression to cancer might allow the identification of biomarkers that can be used for early diagnosis, which will improve the patient survival. In this study, an improved protocol for methylation-sensitive single-strand conformation analysis, which is used to analyze promoter methylation, is proposed and a methylation-sensitive dot blot assay is described, which allows a rapid, easy, and sensitive detection of promoter methylation. Both methods were applied to study the methylation pattern of the APC promoter in histologically normal appearing gastric mucosa. The APC promoter showed monoallelic methylation, and because the methylated allele differed between the different gastric cell types, this corresponded to allelic exclusion. The APC methylation pattern was frequently altered in noimal gastric mucosa associated with neoplastic lesions, indicating that changes in the pattern of promoter methylation might precede the development of neoplasia, without accompanying histological manifestations. An epigenetic profile of 10 genes important in EAC was obtained in this study; 5 promoter genes (APC, TIMP3, TERT, CDKN2A and SFRP1) were found to be hypermethylated in the tumors. Furthermore, the promoter of APC, TIMP3 and TERT was frequently methylated in BE samples from EAC patients, but rarely in BE samples that did not progress to EAC. These three biomarkers might therefore be considered as potential predictive markers for increased EAC risk. Analysis of Wnt pathway alterations indicated that WNT2 ligand is overexpressed as early as the low-grade dysplastic stage and downregulation by promoter methylation of the SFRP1 gene occurrs already in the metaplastic lesions. Moreover, loss of APC expression is not the only factor involved in the activation of the Wnt pathway. These results indicate that a variety of biologic, mostly epigenetic events occurs very early in the carcinogenesis of BE. This new information might lead to improved early diagnosis of EAC and thus open the way to a possible application of these biomarkers in the prediction of increased EAC risk progression. RESUME L'oesophage de Barrett est une lésion métaplasique définie par le remplacement de la muqueuse malpighienne du bas oesophage par une muqueuse cylindrique glandulaire, suite à une agression chronique par du reflux gastro-esophagien. La plus importante signification clinique de cette maladie est sa prédisposition au développement d'un adénocarcinome. Le pronostic de l'adénocarcinome sur oesophage de Barrett est sombre. Seule une meilleure compréhension de la pathogenèse de l'épithélium métaplasique et de sa progression néoplasique permettrait l'identification de biomarqueurs pouvant être utilisés pour un diagnostic précoce ; la survie du patient serait ainsi augmentée. Dans cette étude, un protocole amélioré pour l'analyse de la méthylation par conformation simple brin est proposé. De plus, une technique d'analyse par dot blot permettant une détection rapide, facile et sensible de la méthylation d'un promoteur est décrite. Les deux méthodes ont été appliquées à l'étude de la méthylation du promoteur du gène APC dans des muqueuses gastriques histologiquement normales. Le promoteur APC a montré une méthylation monoallélique et, parce que les allèles méthylés différaient entre les différents types de cellules gastriques, celle-ci correspondait à une méthylation allélique exclusive. La méthylation d'APC a été trouvée fréquemment altérée dans la muqueuse gastrique normale associée à des lésions néoplasiques. Ceci indique que des changements dans la méthylation d'un promoteur peuvent précéder le développement d'une tumeur, et cela sans modification histologique. Un profil épigénétique des adénocarcinomes sur oesophage de Barrett a été obtenu dans cette étude. Cinq promoteurs (APC, TIMP3, TERT, CDKN2A et SFRP1) ont été trouvés hyperméthylés dans les tumeurs. Les promoteurs d'APC, TIMP3 et TERT étaient fréquemment méthylés dans l'épithélium métaplasique proche d'un adénocarcinome et rarement dans l'épithélium sans évolution néoplasique. Ces trois biomarkers pourraient par conséquent être considérés comme marqueur prédicatif d'un risque accru de développer une tumeur. L'analyse des altérations de la voie Wnt a montré que WNT2 est surexprimé déjà dans des dysplasies de bas-grade et que la dérégulation de SFRP1 par méthylation de son promoteur intervenait dans les lésions métaplasiques. Une perte d'expression d'APC n'est pas le seul facteur impliqué dans l'activation de cette voie. Ces résultats montrent qu'une grande diversité d'événements biologiques, principalement épigénétiques, surviennent très tôt lors de la carcinogenèse de l'oesophage de Barrett. Ces nouveaux éléments pourraient améliorer le diagnostic précoce et rendre possible l'application de ces biomarqueurs dans la prédiction d'un risque accru de développer un adénocarcinome sur un oesophage de Barrett.

Replicating adenoviruses targeting tumours with constitutive activation of the Wnt signalling pathway

Abstract Activation of the Wnt pathway through mutation of the adenomatous polyposis coli and 13-catenin genes is a hallmark of colon cancer. These mutations lead to constitutive activation of transcription from promoters containing binding sites for Tcf/LEF transcription factors. Tumour-selective replicating oncolytic viruses are promising agents for cancer therapy. They can in principle spread throughout a tumour mass until all the cancerous cells are killed, and clinical trials have shown that they are safe except at very high doses. Adenoviruses are interesting candidates for virotherapy because their biology is well understood and their small genome can be rapidly mutated. Adenoviruses with Tcf binding sites in the E2 early promoter replicate selectively in cells with an active Wnt pathway. Although these viruses can replicate in a broad panel of colon cancer cell lines, some colorectal cancer cells are only semi-permissive for Tcf-virus replication. The aim of my thesis was to increase the safety and the efficacy of Tcf-viruses for colon cancer virotherapy. I replaced the endogenous ElA viral promoter by four Tcf binding sites and showed that transcription from the mutant promoter was specifically activated by the Wnt pathway. A virus with Tcf binding sites in the ElA and E4 promoters was more selective for the Wnt pathway than the former Tcf-E2 viruses. Moreover, insertion of Tcf binding sites into all early promoters further increased viral selectivity, but reduced viral activity. I showed that Tcf-dependent transcription was inhibited by the interaction between ElA and p300, but deletion of the p300-binding site of ElA generally led to viral attenuation. In the semi-permissive cell lines, replication of Tcf-viruses remained lower than that of the wild-type virus. The E2 promoter was the most sensitive to the cell type, but I was unable to improve its activity by targeted mutagenesis. To increase the toxicity of the Tcf-E1A/E4 virus, I decided to express a suicide gene, yeast cytosine deaminase (yCD), late during infection. This enzyme converts the prodrug 5-FC to the cytotoxic agent 5-FU. yCD was expressed in a DNA replication-dependent manner and increased viral toxicity in presence of 5-FC. Tcf-ElA and yCD adenoviruses are potentially useful vectors for the treatment of liver metastases from colorectal tumours. Résumé Dans la quasi-totalité des cancers du côlon, la voie Wnt est activée par des mutations dans les gènes codant pour APC ou pour la (3-caténine. Ces mutations activent de façon constitutive la transcription de promoteurs contenant des sites de liaison pour les facteurs de transcription Tcf/LEF. Les virus réplicatifs spécifiques aux tumeurs sont des agents prometteurs pour la thérapie cancéreuse. En principe, ces vecteurs peuvent se propager dans une masse tumorale jusqu'à destruction de toutes les cellules cancéreuses, et des études cliniques ont démontré que de tels vecteurs n'étaient pas toxiques, sauf à de très hautes doses. Les adénovirus sont des candidats intéressants pour la thérapie virale car leur biologie est bien définie et leur petit génome peut être rapidement modifié. Des adénovirus comportant des sites de liaison à Tcf dans leur promoteur précoce E2 se répliquent sélectivement dans les cellules qui possèdent une voie Wnt active. Ces virus sont capables de se répliquer dans un grand nombre de cellules cancéreuses du côlon, bien que certaines de ces cellules ne soient que semi-permissives pour la réplication des virus Tcf. Le but de ma thèse était d'augmenter la sécurité et l'efficacité des virus Tcf. Le promoteur viral endogène ElA a été remplacé par quatre sites de liaison à Tcf, ce qui a rendu son activation dépendante de la voie Wnt. Un virus comportant des sites de liaison pour Tcf dans les promoteurs ElA et E4 était plus sélectif pour la voie Wnt que les précédents virus Tcf-E2, et un virus comportant des sites Tcf dans tous les promoteurs précoces était encore plus sélectif, mais moins actif. J'ai montré que l'interaction entre ElA et p300 inhibait la transcription dépendante de Tcf, mais la délétion du domaine concerné dans ElA a eu pour effet d'atténuer les virus. Dans les cellules semi-permissives, la réplication des virus Tcf était toujours plus basse que celle du virus sauvage. J'ai identifié le promoteur E2 comme étant le plus sensible au type cellulaire, mais n'ai pas pu augmenter son activité par mutagenèse. Pour augmenter la toxicité du virus Tcf-E1A/E4, j'ai décidé d'exprimer un gène suicide, la cytosine déaminase (yCD), pendant la phase tardive de l'infection. Cette enzyme transforme la procirogue 5-FC en l'agent cytotoxique 5-FU. yCD était exprimée après réplication de l'ADN viral et augmentait la toxicité virale en présence de 5-FC. Les virus Tcf-ElA et yCD sont des vecteurs potentiellement utiles pour le traitement des métastases hépatiques de cancers colorectaux.

Lentiviral vectors efficiently transduce the EGFP gene into cardiomyocytes in vivo : immunohistology and Elisa quantification of the transgene

RESUME Les maladies cardio-vasculaires représentent la cause la plus importante de mortalité et de morbidité dans les pays occidentaux. La thérapie génique offre une nouvelle approche au traitement de ces maladies. L'expression de gènes protecteurs dans le myocarde par des technologies de transfert génique peut améliorer la fonction ventriculaire lors de l'insuffisance cardiaque ou stimuler la formation de nouveaux vaisseaux dans la maladie coronarienne. Etant donné qu'une majorité des maladies cardiaques sont des maladies chroniques, l'expression durable du gène thérapeutique introduit dans le coeur est souhaitable dans de nombreux cas. Malheureusement, l'utilité des vecteurs de transfert génique les plus utilisés en thérapie génique cardiovasculaire est limitée par une performance faible (ADN plasmidique) et une courte durée d'expression (adénovirus). Récemment, des vecteurs de transfert génique dérivés des lentivirus, une sous-famille des rétrovirus, ont retenu l'attention de la communauté scientifique en raison de leur capacité à exprimer des gènes à long terme. Contrairement aux vecteurs rétroviraux traditionnels, les vecteurs lentiviraux transduisent des gènes même dans des cellules qui ne se divisent pas, ce qui est le cas des cardiomyocytes adultes. Ces vecteurs présentent un profil de biosécurité comparable à celui des vecteurs rétroviraux traditionnels. Nous avons donc décidé de tester l'utilité des vecteurs lentiviraux pour le transfert génique dans des cardiomyocytes de rat adulte in vitro et in vivo. Plusieurs versions de vecteurs lentiviraux contenant différent promoteurs ont été construites. Ces vecteurs contenant le gène marqueur EGFP (enhanced green fluorescent protein) ont été testés dans des cardiomyocytes de rat in vitro, ainsi que dans des coeurs de rat in vivo. Le but de ces expériences était de déterminer la durée de l'expression du transgène après injection intramyocardique chez le rat. Pour ce faire, nous avons développé une technique ELISA pour détecter la protéine EGFP dans des extraits de tissu cardiaque. Les résultats ont montré que la protéine EGFP était encore présente à des niveaux significatifs jusqu'à dix semaines après l'injection de vecteurs lentiviraux, alors que l'expression transgénique obtenue avec un vecteur adénoviral traditionnel a été plus limitée dans le temps. Ces résultats démontrent la capacité des vecteurs lentiviraux à exprimer des gènes d'intérêt de manière performante et stable dans le cœur de rat adulte in vivo. SUMMARY Cardiovascular diseases are the first cause of morbidity and mortality in Western countries. Gene therapy offers a new approach to these diseases. Expression of therapeutic genes in the myocardium by gene transfer technologies can improve ventricular function in heart failure and stimulate neovascularization in coronary disease. Chronic heart diseases likely require sustained expression of the therapeutic gene within the heart itself. Unfortunately, the most commonly used vectors in cardiovascular gene therapy, i.e. plasmid DNA and recombinant adenovirus vectors, are limited by poor DNA uptake and transient transgene expression, respectively. Recently, lentivirus-derived vectors have attracted much interest because of their ability to achieve long-term transgene expression. In contrast to traditional retroviral vectors, lentiviral vectors are also able to transduce non- dividing cells, while presenting a comparable biosafety profile. Adult cardiomyocytes are terminally differentiated cells that do not divide under normal conditions. For these reasons, we have decided to evaluate the efficiency of lentiviral vectors for gene-transduction of adult cardiomyocytes both in vitro and in vivo. We constructed various types of lentiviral vectors containing various promoters. Vectors encoding EGFP as a reporter gene were tested in rat cardiomyocytes in vitro and in rat hearts in vivo. The aim of the experiments involved in this thesis work was to determine the duration of the expression of the transgene after rat intramyocardial injection using a quantitative assay. Therefore, an ELISA technique was set up to measure the EGFP protein in rat heart tissue extracts. Our results showed that the EGFP protein was still present at significant levels at ten weeks after lentiviral vector injection, whereas the duration of expression with adenoviral vectors was shorter. These results demonstrate that lentiviral vectors efficiently deliver genes and achieve sustained transgene expression in adult rat cardiomyocytes in vivo.

Molecular mechanisms of follicular associated epithelium differentiation

Les muqueuses respiratoires, genitales et digestives sont continuellement exposées aux antigènes de l?alimentation, à la flore intestinale et aux pathogènes. Cela implique une activité immunologique intense et finement régulée dans ces tissus. On admet que la modulation de ces réponses immunitaires muqueuses s?effectue dans des organes sentinels spécifiques appelés o-MALT (organized mucosal associated lymphoid tissues). Ces processus de modulation et la biologie de ces sites immuno-inducteurs sont peu connus. Ceci est pourtant d?une grande relevance si l?on veut faire un design rationnel de drogues et de vaccins muqueux. Dans l?intestin grèle, ces organes sont composés de follicules multiples et sont appelés plaques de Peyer. Ils sont constitués de follicules enrichis en cellules B comprenant ou non un centre germinatif, de regions interfolliculaires comprenant des cellules T, et d?une région en d ome riche en cellules dendritiques, cellules B naives et cellules T CD4+, surmontée par un epithelium specialisé, le FAE (epithelium associé aux follicules). Le FAE contient des cellules M spécialisées dans le transport de macromolécules et micro-organismes de la lumière intestinale au tissu lymphoide sous-jacent. Ce transport des antigènes est une condition obligatoire pour induire une réponse immunitaire. Les cellules du FAE, outre les cellules M, expriment un programme de différenciation distinct de celui des cellules associées aux villosités. Ceci est characterisé par une baisse des fonctions digestives et de défenses, et l?expression constitutive des chimiokines: CCL20 et CCL25. Le but de l?étude présentée ici est de rechercher les facteurs cellulaires et/ou moléculaire responsables de cette différenciation. Certaines études ont démontré l?importance du contact entre le compartiment mésenchymateux et l?épithelium pour la morphogenèse de ce dernier. En particulier, les molécules de la matrice extracellulaire peuvent activer des gènes clefs qui, à leur tour, vont controler l?adhésion et la differenciation cellulaire. Dans l?intestin, les cellules mésenchymateuses différencient en myofibroblastes qui participent à l?élaboration de la matrice extracellulaire. Dans cette étude, nous avons décrit les différences d?expression de molécules de la matrices sous le FAE et les villosités. Nous avons également montré une absence de myofibroblastes sous le FAE. Suite à plusieurs évidences expérimentales, certains ont proposé une influence des composés présents dans la lumière sur la différenciation et/ou la maturation des plaques de Peyer. La chimiokine CCL20, capable de recruter des cellules initiatrices de la réponse immunitaire, constitue notre seul marqueur positif de FAE. Nous avons pu montrer que la flagelline, un composé du flagelle bactérien, était capable d?induire l?expression de CCL20 in vitro et in vivo. Cet effet n?est pas limité aux cellules du FAE mais est observé sur l?ensemble de l?épithelium intestinal. Molecular mechanisms of FAE differenciation. La signalement induit par la lymphotoxine ß est critique pour l?organogenèse des plaques de Peyer, car des souris déficientes pour cette molécules ou son récepteur n?ont ni plaque de Peyer, ni la plupart des ganglions lymphatiques. Nous avons obtenus plusieurs évidences que la lymphotoxine ß était impliquée dans la régulation du gène CCL20 in vitro et in vivo.<br/><br/>Mucosal surfaces of the respiratory, genital and digestive systems are exposed to food antigens, normal bacterial flora and oral pathogens. This justifies an intense and tuned immunological activity in mucosal tissues. The modulation of immune responses in the mucosa is thought to occur in specific sentinel sites, the organized mucosa associated lymphoid tissues (o-MALT). This immune modulation and the biology of these immune-inductive sites are poorly understood but highly important and relevant in the case of drugs and vaccines design. In the small intestine, these organs (gut associated lymphoid tissue : GALT) consists of single or multiple lymphoid follicles, the so-called Peyer?s patches (PP), with typical B cell-enriched follicles and germinal centers, inter-follicular T cell areas, and a dome region enriched in dendritic cells, naive B cells, and CD4+ T cells under a specialized follicle associated epithelium (FAE). To trigger protective immunity, antigens have to cross the mucosal epithelial barrier. This is achieved by the specialized epithelial M cells of the FAE that are able to take up and transport macromolecules and microorganisms from the environment into the underlying organized lymphoid tissue. The ontogeny of M cells remains controversial: some data are in favor of a distinct cell lineage, while others provide evidence for the conversion of differentiated enterocytes into M cells. In this study we mapped the proliferative, M cells and apoptotic compartments along the FAE. Enterocytes acquire transient M cell features as they leave the crypt and regain enterocyte properties as they move towards the apoptotic compartment at the apex of the FAE, favouring the hypothesis of a plastic phenotype. The follicle-associated epithelium (FAE) is found exclusively over lymphoid follicles in mucosal tissues, including Peyer?s patches. The enterocytes over Peyer?s patches express a distinct phenotype when compared to the villi enterocytes, characterized by the down regulation of digestive and defense functions and the constitutive expression of chemokines, i.e. CCL20 and CCL25. The purpose of this study was to investigate and identify the potential cells and/or molecules instructing FAE differentiation. Contact between the epithelial and the mesenchymal cell compartment is required for gut morphogenesis. Extracellular matrix molecules (ECM) can activate key regulatory genes which in turn control cell adhesion and differentiation. In the gut, mesenchymal cells differentiate into myofibroblats that participate to the elaboration of ECM. We have described a differential expression of extracellular matrix components under the FAE, correlating with the absence of subepithelial myofibroblats. Molecular mechanisms of FAE differenciation. Different studies proposed an influence of the luminal compartment in the differentiation and/or the maturation of PP. CCL20, a chemokine able to recruit cells that initiate adaptive immunity constitutes our first positive FAE molecular marker. We have shown that CCL20 gene expression is inducible in vitro and in vivo in intestinal epithelium by flagellin, a component of bacterial flagella. This effect was not restricted to the FAE. Lymphotoxin ß (LTß) signaling is critical for PPs organogenesis as LT deficient mice as well as LTß-receptor-/- mice lack PPs and most of the lymph nodes (LN). The continuous signaling via LTßR-expressing cells appears necessary for the maintenance throughout the life of PP architecture. We obtained in vitro and in vivo evidence that LTß signalling is involved in CCL20 gene expression.

Characterization and functional identification of a novel plant extradiol 4,5-dioxygenase involved in betalain pigment biosynthesis in Portulaca Grandiflora

RESUME Les bétalaïnes sont des pigments chromo-alcaloïdes violets et jaunes présents dans les plantes appartenant à l'ordre des Caryophyllales et dans les champignons des genres Amanita et Hygrocybe. Leur courte voie de biosynthèse est élucidée chimiquement depuis de nombreuses années, mais les enzymes impliquées dans cette biosynthèse chez les plantes ne sont toujours pas caractérisées. L'enzyme de la DOPA-dioxygénase d' Amanita muscaria a été identifiée (Girod et Zryd, 1991a), mais de nombreuses tentatives d'isolation d'un homologue chez les plantes ont échoué. Afin d'isoler les gènes spécifiques des bétalaïnes chez les plantes, nous avons construit des banques soustraites d'ADNc à partir d'ARN total de pétales immatures de Portulaca grandiflora (Pg) de génotypes jaunes et blancs, respectivement violets et blancs. Les clones couleur- spécifiques ont été détectés en premier par analyse Northem du RNA de pétales blancs et colorés. Les candidats positifs ont alors été soumis à une analyse de transcription au niveau des tiges colorées, vertes et des feuilles, afin d'établir leur expression spécifique. Deux ARNs messagers complets ont une expression corrélée avec l'accumulation des bétalaïnes dans les tissus. Le premier de ces clones, A.16, code pour une oxydase de l'acyl-Coenzyme A (ACX) putative, mais le domaine de liaison du FAD essentiel pour l'activité d'ACX est absent. Toutes nos tentatives pour démontrer sa fonction ont échoué. Le rôle de cette protéine dans la voie de synthèse des bétalaïnes reste inconnu. Le deuxième de ces clones spécifique aux bétalaïnes, L.6 (isolé par Zaiko, 2000), a été renommé DODA en raison de son homologie avec le domaine LigB (pfam02900) d'une 4,5-dioxygénase extradiol bactérienne. DODA a été identifié in silico comme une dioxygénase extradiol en raison de la conservation stricte, au niveau de sa séquence peptidique, des résidus catalytiques de LigB et de ceux liant le cofacteur fer. Une analyse de transfert Southem a montré que ce gène est unique dans Pg. L'expression transitoire de DODA par transformation biolistique dans des pétales blancs de Pg a produit des taches violettes ou jaunes dans des cellules transformées. Une analyse HPLC de ces taches a démontré leur identité avec les bétalaïnes présentes naturellement dans les pétales violets et jaunes de Pg, confirmant ainsi la complémentation par le gène Pg DODA de l'allèle récessif cc présent dans les pétales blancs de Pg. Des homologues de DODA (DOPA-dioxygénase) ont été identifiés dans de nombreuses espèces de plantes, y compris dans celles sans bétalaïne. L'alignement de ces homologues a permis l'identification d'un motif spécifique aux bétalaïnes à côté d'une histidine catalytique conservée. Ce motif [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] remplace le motif [H-N-L-R] conservé dans les plantes sans bétalaïne et le motif [H-N-L-x] présent dans tous les homologues bactériens et archaebactériens. Une modélisation tridimensionnelle préliminaire du site actif de Pg DODA et de son homologue dans la mousse Physcomitrella patens a montré l'importance de ce motif spécifique aux bétalaïnes pour l'accessibilité du substrat au site actif. L'analyse phylogénétique de DODA a confirmé l'évolution séparée de cette protéine chez les plantes à bétalaïnes par comparaison avec celle des plantes sans bétalaïne. Nous avons donc conclu que les bétalaïnes sont apparues par modification de l'affinité pour un substrat d'enzymes similaires à DODA, chez un ancêtre unique des Caryophyllales qui a perdu toute capacité de biosynthèse des anthocyanes. Finalement, Pg DODA n'a aucune similarité avec la protéine DODA d' Amanita muscaria, bien que celle-ci complémente aussi la pigmentation des pétales blancs de Pg. La biosynthèse des bétalaïnes est un exemple remarquable de convergence évolutive biochimique indépendante entre espèces de règnes différents. ABSTRACT Betalains are violet and yellow chromo-alkaloid pigments present in plants belonging to the order Caryophyllales and also in the fungal genera Amanita and Hygrocybe. Their short biosynthetic pathway is chemically well understood since many years, but enzymes involved in the plant pathway are still uncharacterized. The DOPA-dioxygenase from Amanita muscaria was identified (Girod and Zryd, 1991a), but numerous attempts to identify a plant homologue to the corresponding gene, failed. In order to isolate betalain-specific genes in plants, subtractive cDNA libraries were built with total RNA from white and yellow and respectively, violet immature petals from Portulaca grandiflora (Pg) genotypes. Colour-specific clones were first detected by Northern blot analysis using RNA from white and coloured petals. Positive candidates were submitted to further transcription analysis in coloured, green stems and leaves in order to assess their specific expression. Two full-length mRNAs showed a correlated expression with betalain accumulation in tissues. One of them, A.16, encodes a putative acyl-Coenzyme A oxidase (ACX), but missing the FAD binding domain essential for the ACX activity. Thus, all attempts to demonstrate its function failed. The role of this protein in the betalain biosynthesis pathway, if any, is still unknown. The second betalain-specific mRNA, L.6 (isolated by Zaiko, 2000) shows a homology with a LigB domain (pfam02900) from a bacterial extradiol 4,5-dioxygenase. It was then renamed DODA (DOPA-dioxygenase). DODA was identified in silico as a highly conserved extradiol dioxygenase due to the strict conservation of its peptidic sequence with LigB catalytic residues and iron-binding cofactor residues. Southern blot analysis showed that this gene is a single copy-gene in Pg. Transient expression of DODA protein through biolistic transformation of Pg white petals produced violet or yellow spots in individual cells. HPLC analysis of these spots showed an identity with betalain pigments present naturally in yellow and violet Pg petals, thus confirming the complementation of the recessive cc allele present in Pg white petals by Pg DODA gene. DODA homologues were identified in numerous plant species including those without betalain. Alignment of these homologues allowed the identification of a betalain-specific pattern beside a highly conserved catalytic histidine. This [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] pattern replaces a [H-N-L-R] pattern strictly conserved in non-betalain plants and a [H-N-L-x] pattern present in all bacterial and archaebacterial homologues. Preliminary three-dimensional modeling of the active site of Pg DODA and its Physcomitrella patens moss homologue revealed the importance of this betalain-specific pattern for the substrate accessibility to the DODA active site. DODA phylogenetic analysis confirmed the separate evolution of this protein in betalain-producing plants. We conclude that betalain pigments appeared in a unique ancestor of the Caryophyllales order in which anthocyanin biosynthetic pathway was impaired, by a modification of enzymes of the DODA family for substrate affinity. The Pg DODA protein has no sequence similarity with Amanita muscaria DODA, despite the fact that they both complement Pg white petals for their pigmentation. Betalain biosynthesis is an interesting example of independent biochemical evolutionary convergence between species from different kingdoms.

Organisation of genetic variation in multinucleate arbuscular mycorrhizal fungi

Les Champignons Endomycorhiziens Arbusculaires (CEA) forment une symbiose racinaire avec environ 80% des espèces connues de plantes vasculaires. Ils occupent une position écologique très importante liée aux bénéfices qu'ils confèrent aux plantes. Des études moléculaires effectuées sur des gènes ribosomaux ont révélé un très grand polymorphisme, tant à l'intérieur des espèces qu'entre celles-ci. Ces champignons étant coenocytiques et multinucléés, l'organisation de cette variabilité génétique intraspécifique pourrait avoir différentes origines. Ce travail se propose d'examiner l'organisation et l'évolution de cette variabilité. Sur la base de fossiles, l'existence des CEA remonte à au moins 450 millions d'années. Cette symbiose peut donc être considérée comme ancienne. Les premières données moléculaires n'indiquant pas de reproduction sexuée, une hypothèse fut élaborée stipulant que les CEA seraient des asexués ancestraux. La première partie de cette thèse (chapitre 2) met en évidence l'existence de recombinaison dans différents CEA mais montre également que celle-ci est insuffisante pour purger les mutations accumulées. La reproduction étant essentiellement asexuée, on peut prédire que les nombreux noyaux ont probablement divergé génétiquement. En collaboration avec M. Hijri nous avons pu vérifier cette hypothèse (chapitre 2). Dans le chapitre 3 j'ai cherché à comprendre si le polymorphisme était également présent dans une population naturelle du CEA Glomus intraradices au niveau intraspécifique, ce qui n'avait encore jamais été examiné. En comparant les empreintes génétiques d'individus obtenus chacun à partir d'une spore mise en culture, j'ai clairement démontré que d'importantes différences génétiques existent entre ceux-ci. Un résultat similaire, portant sur des traits quantitatifs d'individus de la même population, a été trouvé par A. Koch. Les deux études en ensemble montre que le polymorphisme génétique dans cette population est suffisamment grand pour être important au niveau écologique. Dans le chapitre 4, j'ai cherché a examiner le polymorphisme des séquences du gène BiP au sein d'un individu. C'est la première étude qui examine la diversité génétique du génome de CEA avec un autre marqueur que l'ADN ribosomique. J'ai trouvé 31 types de séquences différentes du gène BiP issu d'un isolat de G. intraradices mis en culture à partir d'une seule spore. Cette variation n'était pas restreinte à des zones sélectivement neutres du BiP. Mes résultats montrent qu'il y a un grand nombre de variants non-fonctionnels, proportionnellement au faible nombre de copies attendues par noyau. Ceci va dans le sens d'une partition de l'information génétique entre les noyaux.<br/><br/>Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are root symbionts with about 80% of all known species of vascular land plants. AMF are ecologically important because of the benefits that they confer to plants. Molecular studies on AMF showed that rDNA sequences were highly variable between species and within species. Because AMF are coenocytic and multinucleate there are several possibilities how this intraspecific genetic variation could be organized. Therefore, the organization and evolution of this variation in AMF were investigated in the present work. Based on fossil records the AMF symbiosis has existed for 450 Million years and is therefore considered ancient. First molecular data indicated no evident sexual reproduction and gave rise to the hypothesis that AMF might be ancient asexuals. The first part of this thesis (Chapter 2) shows evidence for recombination in different AMF but also indicates that it has not been frequent enough to purge accumulated mutations. Given asexual reproduction, it has been predicted that the many nuclei in AMF should diverge leading to genetically different nuclei. This hypothesis has been confirmed by an experiment of M. Hijri and is also included in chapter 2 as the results were published together. In chapter 3 I then investigated whether intraspecific genetic variation also exists in a field population of the AMF Glomus intraradices. Comparing genetic fingerprints of individuals derived from single spores I could clearly show that large genetic differences exist. A similar result, based on quantitative genetic traits, was found for the same population by A. Koch. The two studies taken together show that the genetic variation observed in the population is high enough to be of ecological relevance. Lastly, in chapter 4, I investigated within individual genetic variation among BiP gene sequences. It is the first study that has analyzed genetic diversity in the AMF genome in a region of DNA other than rDNA. I found 31 sequence variants of the BiP gene in one G. intraradices isolate that originated from one spore. Genetic variation was not only restricted to selectively neutral parts of BiP. A high number of predicted non-functional variants compared to a likely low number of copies per nucleus indicated that functional genetic information might even be partitioned among nuclei. The results of this work contribute to our understanding of potential evolutionary strategies of ancient asexuals, they also suggest that genetic differences in a population might be ecologically relevant and they show that this variation even occurs in functional regions of the AMF genome.

Functions of the human papillomavirus type 16 E4 protein

1. Abstract Cervical cancer is thought to be the consequence of infection by human papillomaviruses (HPV). In the majority of cases, DNA from HPV type 16 (HPV16) is found in malignant cervical lesions. The initial steps leading to transformation of an infected cell are not clearly understood but in most cases, disruption and integration of the episomal viral DNA must take place. As a consequence, the E2 and E4 genes are usually not expressed whereas the E6 and E7 oncogenes are highly expressed. However, in a normal infection in which the viral DNA is maintained as an episome, all viral genes are expressed. The pattern according to which the viral proteins are made, and therefore the life cycle of the virus, is tightly linked to the differentiation process of the host keratinocyte. The study of the viral oncogenes E6 and E7 has revealed crucial functions in the process of malignant transformation such as degradation of the p53 tumor suppressor protein, deregulation of the Retinoblastoma protein pathway and activation of the telomerase ribonucleoprotein. All these steps are necessary for cancerous lesions to develop. However, the loss of the E2 gene product seems to be necessary for sufficient expression of E6 and E7 in order to achieve such effects. In normal infections, the E4 protein is made abundantly in the later stages of the viral life cycle. Though extensive amounts of work have been carried out to define the function of E4, it still remains unclear. In this study, several approaches have been used to try and determine the functions of E4. First, a cell-penetrating fusion protein was designed and produced in order to circumvent the chronic difficulties of expressing E4 in mammalian cells. Unfortunately, this approach was not successful due to precipitation of the purified fusion protein. Second, the observation that E4 accumulates in cells having modified their adhesion properties led to the hypothesis that E4 might be involved in the differentiation process of keratinocytes. Preliminary results suggest that E4 triggers differentiation. Last, as E4 has been reported to collapse the cytokeratin network of keratinocytes, a direct approach using atomic force microscopy has allowed us to test the potential modification of mechanical properties of cells harboring reorganized cytokeratin networks. If so, a potential role for E4 in viral particle release could be hypothesized. 2. Résumé Il a été établi que le cancer du col de l'utérus se développe essentiellement à la suite d'une infection par le virus du papillome humain (HPV). Dans la majorité des cas analysés, de l'ADN du HPV de type 16 (HPV16) est détecté. Les étapes initiales de la transformation d'une cellule infectée sont mal connues mais il semble qu'une rupture du génome viral, normalement épisomal, suivi d'une intégration dans le génome de la cellule hôte soient des étapes nécessaires dans la plupart des cas. Or il semble qu'il y ait une sélection pour les cas où l'expression des oncogènes viraux E6 et E7 soit favorisée alors que l'expression des gènes E2 et E4 est en général impossible. Par contre, dans une infection dite normale où le génome viral n'est pas rompu, il n'y pas développement de cancer et tous les gènes viraux sont exprimés. L'ordre dans lequel les protéines virales sont produites, et donc le cycle de réplication du virus, est intimement lié au processus de différentiation de la cellule hôte. L'étude des protéines oncogènes E6 et E7 a révélé des fonctions clés dans le processus de transformation des cellules infectées telles que la dégradation du suppresseur de tumeur p53, la dérégulation de la voie de signalisation Rb ainsi que l'activation de la télomérase. Toutes ces activités sont nécessaires au développement de lésions cancéreuses. Toutefois, il semble que l'expression du gène E2 doit être empêchée afin que suffisamment des protéines E6 et E7 soient produites. Lorsque le gène E2 est exprimé, et donc lorsque le génome viral n'est pas rompu, les protéines E6 et E7 n'entraînent pas de telles conséquences. Le gène E4, qui se trouve dans la séquence codante de E2, a aussi besoin d'un génome viral intact pour être exprimé. Dans une infection normale, le gène E4 est exprimé abondamment dans les dernières étapes de la réplication du virus. Bien que de nombreuses études aient été menées afin de déterminer la fonction virale à E4, aucun résultat n'apparaît évident. Dans ce travail, plusieurs approches ont été utilisées afin d'adresser cette question. Premièrement, une protéine de fusion TAT-E4 a été produite et purifiée. Cette protéine, pouvant entrer dans les cellules vivantes par diffusion au travers de la membrane plasmique, aurait permis d'éviter ainsi les problèmes chroniques rencontrés lors de l'expression de E4 dans les cellules mammifères. Malheureusement, cette stratégie n'a pas pu être utilisée à cause de la précipitation de la protéine purifiée. Ensuite, l'observation que E4 s'accumule dans les cellules ayant modifié leurs propriétés d'adhésion a suggéré que E4 pourrait être impliqué dans le procédé de différentiation des kératinocytes. Des résultats préliminaires supportent cette possibilité. Enfin, il a été montré que E4 pouvait induire une réorganisation du réseau des cytokératines. Une approche directe utilisant le microscope à force atomique nous a ainsi permis de tester une potentielle modification des propriétés mécaniques de cellules ayant modifié leur réseau de cytokératines en présence de E4. Si tel est le cas, un rôle dans la libération de particules virales peut être proposé pour E4.

Combined transcriptomic and proteomic studies reveal non-canonical signaling functions in the jasmonate pathway

Abstract Lipid derived signals mediate many stress and defense responses in multicellular eukaryotes. Among these are the jasmonates, potently active signaling compounds in plants. Jasmonic acid (JA) and 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA) are the two best known members of the large jasmonate family. This thesis further investigates their roles as signals using genomic and proteomic approaches. The study is based on a simple genetic model involving two key genes. The first is ALLENE OXIDE SYNTHASE (AOS), encoding the most important enzyme in generating jasmonates. The second is CORONATINE INSENSITIVE 1 (COI1), a gene involved in all currently documented canonical signaling responses. We asked the simple question: do null mutations in AOS and COI1 have analogous effects on the transcriptome ? We found that they do not. If most COI1-dependent genes were also AOS-dependent, the expression of a zinc-finger protein was AOS-dependent but was unaffected by the coi1-1 mutation. We thus supposed that a jasmonate member, most probably OPDA, can alter gene expression partially independently of COI1. Conversely, the expression of at least three genes, one of these is a protein kinase, was shown to be COI1-dependent but did not require a functional AOS protein. We conclude that a non-jasmonate signal might alter gene expression through COIL Proteomic comparison of coi1-1 and aos plants confirmed these observations and highlighted probable protein degradation processes controlled by jasmonates and COI1 in the wounded leaf. This thesis revealed new functions for COI1 and for AOS-generated oxylipins in the jasmonate signaling pathway. Résumé Les signaux dérivés d'acides gras sont des médiateurs de réponses aux stress et de la défense des eucaryotes multicellulaires. Parmi eux, les jasmonates sont de puissants composés de sig¬nalisation chez les plantes. L'acide jasmonique (JA) et l'acide 12-oxo-phytodienoïc (OPDA) sont les deux membres les mieux caractérisés de la grande famille des jasmonates. Cette thèse étudie plus profondément leurs rôles de signalisation en utilisant des approches génomique et protéomique. Cette étude est basée sur un modèle génétique simple n'impliquant que deux gènes. Le premier est PALLENE OXYDE SYNTHASE (AOS) qui encode l'enzyme la plus importante pour la fabrication des jasmonates. Le deuxième est CORONATINE INSENSITIVE 1 (COI1) qui est impliqué dans la totalité des réponses aux jasmonates connues à ce jour. Nous avons posé la question suivante : est-ce que les mutations nulles dans les gènes AOS et COI1 ont des effets analogues sur le transcriptome ? Nous avons trouvé que ce n'était pas le cas. Si la majorité des gènes dépendants de COI1 sont également dépendants d'AOS, l'expression d'un gène codant pour une protéine formée de doigts de zinc n'est pas affectée par la mutation de COI1 tout en étant dépendante d'AOS. Nous avons donc supposé qu'un membre de la famille des jasmonates, probablement OPDA, pouvait modifier l'expression de certains gènes indépendamment de COI1. Inversement, nous avons montré que, tout en étant dépendante de COI1, l'expression d'au moins trois gènes, dont un codant pour une protéine kinase, n'était pas affectée par l'absence d'une protéine AOS fonctionnelle. Nous en avons conclu qu'un signal autre qu'un jasmonate devait modifier l'expression de certains gènes à travers COI1. La comparaison par protéomique de plantes aos et coi1-1 a confirmé ces observations et a mis en évidence un probable processus de dégradation de protéines contrôlé par les jasmonates et COU_ Cette thèse a mis en avant de nouvelles fonctions pour COI1 et pour des oxylipines générées par AOS dans le cadre de la signalisation par les jasmonates.

Implication of DNA methylation, CTCF and BORIS factors in the transcriptional regulation of the human telomerase catalytic subunit hTERT

RESUME La télomérase confère une durée de vie illimitée et est réactivée dans la plupart des cellules tumorales. Sa sous-unité catalytique hTERT est définie comme le facteur limitant pour son activation. De l'identification de facteurs liant la région régulatrice d'hTERT, au rôle de la méthylation de l'ADN et de la modification des histones, de nombreux modèles de régulation ont été suggérés. Cependant, aucun de ces modèles n'a pu expliquer l'inactivation de la télomérase dans la plupart des cellules somatiques et sa réactivation dans la majorité des cellules tumorales. De plus, les observations contradictoires entre le faible niveau d'expression d'ARN messager d'hTERT dans les cellules télomérase-positives et la très forte activité transcriptionnelle du promoteur d'hTERT en transfection restent incomprises. Dans cette étude, nous avons montré que la région proximale du gène hTERT (exon 1 et 2) était impliquée dans la répression de l'activité de son promoteur. Nous avons identifié le facteur CTCF comme étant un inhibiteur du promoteur d'hTERT, en se liant au niveau de son premier exon. La méthylation de l'exon 1 du gène hTERT, couramment observée dans les tumeurs mais pas dans les cellules normales, empêcherait la liaison de CTCF. L'étude du profil de méthylation du promoteur d'hTERT indique qu'une partie du promoteur reste déméthylée et qu'elle semble suffisante pour permettre une faible activité transcriptionnelle du gène hTERT. Ainsi, la méthylation particulière des régions régulatrices d'hTERT inhibe la liaison de CTCF tout en permettant une faible transcription du gène. Cependant, dans certaines cellules tumorales, le promoteur et la région proximale du gène hTERT ne sont pas méthylés. Dans les lignées cellulaires tumorales de tesitcules et d'ovaires, l'inhibition de CTCF est contrée par son paralogue BORIS, qui se lie aussi au niveau de l'exon 1 d'hTERT, mais permet ainsi l'activation du promoteur. L'étude de l'expression du gène BORIS montre qu'il est exclusivement exprimé dans les tissus normaux de testicules et d'ovaires jeunes, ainsi qu'à différents niveaux dans la plupart des tumeurs. Sa transcription est sous le contrôle de deux promoteurs. Le promoteur proximal est régulé par méthylation et un transcrit alternatif majoritaire, délété de l'exon 6, est trouvé lorsque ce promoteur est actif. Tous ces résultats conduisent à un modèle de régulation du gène hTERT qui tient compte du profil épigénétique du gène et qui permet d'expliquer le faible taux de transcription observé in vivo. De plus, l'expression de BORIS dans les cancers et son implication dans l'activation du gène hTERT pourrait permettre de comprendre les phénomènes de dérégulation épigénétique et d'immortalisation qui ont lieu durant la tumorigenèse. SUMMARY Telomerase confers an unlimited lifespan, and is reactivated in most tumor cells. The catalytic subunit of telomerase, hTERT, is defined as the limiting factor for telomerase activity. Between activators and repressors that bind to the hTERT 5' regulatory region, and the role of CpG methylation and histone acetylation, an abundance of regulatory models have been suggested. None of these models can explain the silence of telomerase in most somatic cells and its reactivation in tumor cells. Moreover, the contradictory observations of the low level of hTERT mRNA in telomerase-positive cells and the high transcriptional activity of the hTERT promoter in transfection experiments remain unresolved. In this study, we demonstrated that the proximal exonic region of the hTERT gene (exon 1 and 2) is involved in the inhibition of its promoter. We identified the protein CTCF as the inhibitor of the hTERT promoter, through its binding to the first exon. The methylation of the first exon region, which is often observed in cancer cells but not in noimal cells, represses CTCF binding. Study of hTERT promoter methylation shows a partial demethylation sufficient to activate the transcription of the hTERT gene. Therefore, we demonstrated that the particular methylation profile of the hTERT regulatory sequences inhibits the binding of CTCF, while it allows a low transcription of the gene. Nevertheless, in some tumor cells, the promoter and the proximal exonic region of hTERT are unmethylated. In testicular and ovarian cancer cell lines, CTCF inhibition is counteracted by its BORIS paralogue that also binds the hTERT first exon but allows the promoter activation. The study of BORIS gene regulation showed that this factor is exclusively expressed in normal tissue of testis and ovary of young woman, as well as in almost all tumors with different levels. Two promoters were found to induce its transcription. The proximal promoter was regulated by methylation. Moreover, a major alternative transcript, deleted of the exon 6, is detected when this promoter is active. All these results lead to a model for hTERT regulation that takes into account the epigenetic profile of the gene and provides an explanation for the low transcriptional level observed in vivo. BORIS expression in cancers and its implication in hTERT activation might also permit the understanding of epigenetic deregulation and immortalization phenomena that occur during tumorigenesis.

CleanEx: a database of heterogeneous gene expression data based on a consistent gene nomenclature and linked to an improved annotation system

Résumé: L'automatisation du séquençage et de l'annotation des génomes, ainsi que l'application à large échelle de méthodes de mesure de l'expression génique, génèrent une quantité phénoménale de données pour des organismes modèles tels que l'homme ou la souris. Dans ce déluge de données, il devient très difficile d'obtenir des informations spécifiques à un organisme ou à un gène, et une telle recherche aboutit fréquemment à des réponses fragmentées, voir incomplètes. La création d'une base de données capable de gérer et d'intégrer aussi bien les données génomiques que les données transcriptomiques peut grandement améliorer la vitesse de recherche ainsi que la qualité des résultats obtenus, en permettant une comparaison directe de mesures d'expression des gènes provenant d'expériences réalisées grâce à des techniques différentes. L'objectif principal de ce projet, appelé CleanEx, est de fournir un accès direct aux données d'expression publiques par le biais de noms de gènes officiels, et de représenter des données d'expression produites selon des protocoles différents de manière à faciliter une analyse générale et une comparaison entre plusieurs jeux de données. Une mise à jour cohérente et régulière de la nomenclature des gènes est assurée en associant chaque expérience d'expression de gène à un identificateur permanent de la séquence-cible, donnant une description physique de la population d'ARN visée par l'expérience. Ces identificateurs sont ensuite associés à intervalles réguliers aux catalogues, en constante évolution, des gènes d'organismes modèles. Cette procédure automatique de traçage se fonde en partie sur des ressources externes d'information génomique, telles que UniGene et RefSeq. La partie centrale de CleanEx consiste en un index de gènes établi de manière hebdomadaire et qui contient les liens à toutes les données publiques d'expression déjà incorporées au système. En outre, la base de données des séquences-cible fournit un lien sur le gène correspondant ainsi qu'un contrôle de qualité de ce lien pour différents types de ressources expérimentales, telles que des clones ou des sondes Affymetrix. Le système de recherche en ligne de CleanEx offre un accès aux entrées individuelles ainsi qu'à des outils d'analyse croisée de jeux de donnnées. Ces outils se sont avérés très efficaces dans le cadre de la comparaison de l'expression de gènes, ainsi que, dans une certaine mesure, dans la détection d'une variation de cette expression liée au phénomène d'épissage alternatif. Les fichiers et les outils de CleanEx sont accessibles en ligne (http://www.cleanex.isb-sib.ch/). Abstract: The automatic genome sequencing and annotation, as well as the large-scale gene expression measurements methods, generate a massive amount of data for model organisms. Searching for genespecific or organism-specific information througout all the different databases has become a very difficult task, and often results in fragmented and unrelated answers. The generation of a database which will federate and integrate genomic and transcriptomic data together will greatly improve the search speed as well as the quality of the results by allowing a direct comparison of expression results obtained by different techniques. The main goal of this project, called the CleanEx database, is thus to provide access to public gene expression data via unique gene names and to represent heterogeneous expression data produced by different technologies in a way that facilitates joint analysis and crossdataset comparisons. A consistent and uptodate gene nomenclature is achieved by associating each single gene expression experiment with a permanent target identifier consisting of a physical description of the targeted RNA population or the hybridization reagent used. These targets are then mapped at regular intervals to the growing and evolving catalogues of genes from model organisms, such as human and mouse. The completely automatic mapping procedure relies partly on external genome information resources such as UniGene and RefSeq. The central part of CleanEx is a weekly built gene index containing crossreferences to all public expression data already incorporated into the system. In addition, the expression target database of CleanEx provides gene mapping and quality control information for various types of experimental resources, such as cDNA clones or Affymetrix probe sets. The Affymetrix mapping files are accessible as text files, for further use in external applications, and as individual entries, via the webbased interfaces . The CleanEx webbased query interfaces offer access to individual entries via text string searches or quantitative expression criteria, as well as crossdataset analysis tools, and crosschip gene comparison. These tools have proven to be very efficient in expression data comparison and even, to a certain extent, in detection of differentially expressed splice variants. The CleanEx flat files and tools are available online at: http://www.cleanex.isbsib. ch/.

Neurobiology of addiction: the role of transcription factors CREB and C/EBP as well as that of their coactivators

Résumé Le présent travail de thèse a fait face au défi de lier les changements transcriptionnels dans les neurones du système nerveux central au développement de l'addiction aux drogues. I1 est connu que l'apprentissage induit des modifications au niveau de la structure du cerveau, principalement en changeant la manière dont les neurones sont interconnectés par des synapses. De plus en plus d'évidences soutiennent un scénario selon lequel l'activité neuronale déclenche des cascades de signalisation intracellulaire qui ciblent des facteurs de transcription. Ces derniers peuvent activer la transcription de gènes spécifiques qui codent pour des protéines nécessaires au renforcement des synapses mémorisant ainsi la nouvelle information. Puisque l'addiction peut être considérée comme une forme aberrante d'apprentissage, et que les modifications synaptiques sont connues pour être impliquées dans le processus d'addiction, nous essayons de décrire des mécanismes transcriptionels étant à la base des changements synaptiques induits par les drogues. Comme modèle nous utilisons des cultures primaires des neurones de striatum, d'hippocampe et de cortex de souris ainsi que des tranches de cerveau de rat. Une des caractéristiques communes de quasiment toutes les substances addictives est de pouvoir activer le système mésolimbique dopaminergique provoquant la libération de dopamine sur les neurones du striatum (du noyau accumbens). Dans ce travail de thèse nous démontrons que dans des cultures du striatum, la dopamine induit le facteur de transcription C/EBPβ qui, à son tour, provoque l'expression du gène codant pour la substance P. Ce mécanisme pourrait potentiellement contribuer à la tolérance envers les drogues puisqu'il fait partie d'une rétroaction (feed-back) sur les cellules produisant la dopamine. Etant donné que ces résultats montrent l'importance de C/EBPβ dans la psychopathologie de l'addiction, nous avons également décidé d'étudier les mécanismes fondamentaux de l'activation de la transcription par C/EBPβ. Nos expériences démontrent que trois isoformes activatrices de la famille C/EBP recrutent le coactivateur CBP et provoquent en même temps sa phosphorylation. Enfin, nous montrons que les coactivateurs nommés TORC, nouvellement découverts et clonés, sont capables de détecter la coïncidence d'un signal cAMP et d'une entrée de calcium dans des neurones. Par conséquent les TORCs pourraient contribuer à détecter la coïncidence d'un signal glutamate et d'un signal dopamine dans les neurones de striatum, ce qui pourrait être important pour associer les effets hédonistes de la drogue à l'information contextuelle (par exemple à l'environnement où la drogue a été consommée). Nous sommes les premiers à observer que les TORCs sont nécessaires pour la potentiation à long terme dans l'hippocampe. Summary The present thesis work faced the challenge to link the development of drug addiction to transcriptional changes in the neurons of the central nervous system. Experience and learning are known to induce structural modifications in the brain, and these changes are thought to occur mainly in the way neurons are interconnected by synapses. More and more evidences point to a scenario in which neuronal activity would activate signalization cascades that impinge on transcription factors, which, in turn, would activate genes necessary for the reinforcement of synapses coding for new informations. Given that drug addiction can be considered as an aberrant form of learning and is thought to involve synaptic modifications, we try to elucidate some of the transcriptional mechanisms that could underlie drug-induced synaptic changes. As a model system, we use primary cultures of striatal, cortical and hippocampal neurons dissected from mouse embryos as well as brain slices from rats. One of the common features of virtually all drugs of abuse is to activate the mesocorticolimbic dopaminergic system that results in the release of dopamine onto the neurons of the striatum (nucleus accumbens). In this thesis work we show that in striatal cultures, dopamine induces the transcription factor C/EBPβ that in turn drives the expression of the gene coding for substance P. This mechanism is likely to be important for the drug-induced tolerance in the brain since it might be a part of a feedback acting on dopaminergic neurons. Given the suspected importance of C/EBPβ in drug addiction, we also try to elucidate some aspects of the basic mechanisms by which the C/EBP family activates transcription. We show that three activating members of the C/EBP family recruit the coactivator CBP and trigger its phosphorylation. Finally, we demonstrate that the newly discovered and cloned transcriptional coactivators, named TORCs (transducers of regulated CREB activity) are able to detect the coincidence of a calcium and a cAMP signal in the central nervous system. This way, TORCs could contribute to the detection of a coincidence between a glutamate and a dopamine signal in striatal neurons - a process that is suggested to be important for an association between the rewarding effect of a drug and contextual information (such as the environment where the drug had been taken). We demonstrate that TORCs are required for hippocampal LTP.

Imatinib plasma concentrations variability in hemato-oncologic patients

Abstract Imatinib (Glivec~ has transformed the treatment and prognosis of chronic myeloid leukaemia (CML) and of gastrointestinal stromal tumor (GIST). However, the treatment must be taken indefinitely and is not devoid of inconvenience and toxicity. Moreover, resistance or escape from disease control occurs. Considering the large interindividual differences in the function of the enzymatic and transport systems involved in imatinib disposition, exposure to this drug can be expected to vary widely among patients. Among those known systems is a cytochrome P450 (CYI'3A4) that metabolizes imatinib, the multidrug transporter P-glycoprotein (P-gp; product of the MDR1 gene) that expels imatinib out of cells, and al-acid glycoprotein (AGP), a circulating protein binding imatinib in the plasma. The aim of this observational study was to explore the influence of these covariates on imatinib pharmacokinetics (PK), to assess the interindividual variability of the PK parameters of the drug, and to evaluate whether imatinib use would benefit from a therapeutic drug monitoring (TDM) program. A total of 321 plasma concentrations were measured in 59 patients receiving imatinib, using a validated chromatographic method developed for this study (HPLC-LTV). The results were analyzed by non-linear mixed effect modeling (NONMEM). A one-compartment pharmacokinetic model with first-order absorption appropriately described the data, and a large interindividual variability was observed. The MDK> polymorphism 3435C>T and the CYP3A4 activity appeared to modulate the disposition of imatinib, albeit not significantly. A hyperbolic relationship between plasma AGP levels and oral clearance, as well as volume of distribution, was observed. A mechanistic approach was built up, postulating that only the unbound imatinib concentration was able to undergo first-order elimination. This approach allowed determining an average free clearance (CL,~ of 13101/h and a volume of distribution (Vd) of 301 1. By comparison, the total clearance determined was 141/h (i.e. 233 ml/min). Free clearance was affected by body weight and pathology diagnosis. The estimated variability of imatinib disposition (17% for CLu and 66% for Vd) decreased globally about one half with the model incorporating the AGP impact. Moreover, some associations were observed between PK parameters of the free imatinib concentration and its efficacy and toxicity. Finally, the functional influence of P-gp activity has been demonstrated in vitro in cell cultures. These elements are arguments to further investigate the possible usefulness of a TDM program for imatinib. It may help in individualizing the dosing regimen before overt disease progression or development of treatment toxicity, thus improving both the long-term therapeutic effectiveness and tolerability of this drug. Résumé L'imatinib (Glivec ®) a révolutionné le traitement et le pronostic de la leucémie myéloïde chronique (LMC) et des tumeurs stromales d'origine digestive (GIST). Il s'agit toutefois d'un traitement non dénué d'inconvénients et de toxicité, et qui doit être pris indéfiniment. Par ailleurs, une résistance, ou des échappements au traitement, sont également rencontrés. Le devenir de ce médicament dans l'organisme dépend de systèmes enzymatiques et de transport connus pour présenter de grandes différences interindividuelles, et l'on peut s'attendre à ce que l'exposition à ce médicament varie largement d'un patient à l'autre. Parmi ces systèmes, on note un cytochrome P450 (le CYP3A4) métabolisant l'imatinib, la P-glycoprotéine (P-gp ;codée par le gène MDR1), un transporteur d'efflux expulsant le médicament hors des cellules, et l'atglycoprotéine acide (AAG), une protéine circulante sur laquelle se fixe l'imatinib dans le plasma. L'objectif de la présente étude clinique a été de déterminer l'influence de ces covariats sur la pharmacocinétique (PK) de l'imatinib, d'établir la variabilité interindividuelle des paramètres PK du médicament, et d'évaluer dans quelle mesure l'imatinib pouvait bénéficier d'un programme de suivi thérapeutique (TDM). En utilisant une méthode chromatographique développée et validée à cet effet (HPLC-UV), un total de 321 concentrations plasmatiques a été dosé chez 59 patients recevant de l'imatinib. Les résultats ont été analysés par modélisation non linéaire à effets mixtes (NONMEM). Un modèle pharmacocinétique à un compartiment avec absorption de premier ordre a permis de décrire les données, et une grande variabilité interindividuelle a été observée. Le polymorphisme du gène MDK1 3435C>T et l'activité du CYP3A4 ont montré une influence, toutefois non significative, sur le devenir de l'imatinib. Une relation hyperbolique entre les taux plasmatiques d'AAG et la clairance, comme le volume de distribution, a été observée. Une approche mécanistique a donc été élaborée, postulant que seule la concentration libre subissait une élimination du premier ordre. Cette approche a permis de déterminer une clairance libre moyenne (CLlibre) de 13101/h et un volume de distribution (Vd) de 301 l. Par comparaison, la clairance totale était de 141/h (c.à.d. 233 ml/min). La CLlibre est affectée par le poids corporel et le type de pathologie. La variabilité interindividuelle estimée pour le devenir de l'imatinib (17% sur CLlibre et 66% sur Vd) diminuait globalement de moitié avec le modèle incorporant l'impact de l'AAG. De plus, une certaine association entre les paramètres PK de la concentration d'imatinib libre et l'efficacité et la toxicité a été observée. Finalement, l'influence fonctionnelle de l'activité de la P-gp a été démontrée in nitro dans des cultures cellulaires. Ces divers éléments constituent des arguments pour étudier davantage l'utilité potentielle d'un programme de TDM appliqué à l'imatinib. Un tel suivi pourrait aider à l'individualisation des régimes posologiques avant la progression manifeste de la maladie ou l'apparition de toxicité, améliorant tant l'efficacité que la tolérabilité de ce médicament. Résumé large public L'imatinib (un médicament commercialisé sous le nom de Glivec ®) a révolutionné le traitement et le pronostic de deux types de cancers, l'un d'origine sanguine (leucémie) et l'autre d'origine digestive. Il s'agit toutefois d'un traitement non dénué d'inconvénients et de toxicité, et qui doit être pris indéfiniment. De plus, des résistances ou des échappements au traitement sont également rencontrés. Le devenir de ce médicament dans le corps humain (dont l'étude relève de la discipline appelée pharmacocinétique) dépend de systèmes connus pour présenter de grandes différences entre les individus, et l'on peut s'attendre à ce que l'exposition à ce médicament varie largement d'un patient à l'autre. Parmi ces systèmes, l'un est responsable de la dégradation du médicament dans le foie (métabolisme), l'autre de l'expulsion du médicament hors des cellules cibles, alors que le dernier consiste en une protéine (dénommée AAG) qui transporte l'imatinib dans le sang. L'objectif de notre étude a été de déterminer l'influence de ces différents systèmes sur le comportement pharmacocinétique de l'imatinib chez les patients, et d'étudier dans quelle mesure le devenir de ce médicament dans l'organisme variait d'un patient à l'autre. Enfin, cette étude avait pour but d'évaluer à quel point la surveillance des concentrations d'imatinib présentes dans le sang pourrait améliorer le traitement des patients cancéreux. Une telle surveillance permet en fait de connaître l'exposition effective de l'organisme au médicament (concept abrégé par le terme anglais TDM, pour Therapeutic Drag Monitoring. Ce projet de recherche a d'abord nécessité la mise au point d'une méthode d'analyse pour la mesure des quantités (ou concentrations) d'imatinib présentes dans le sang. Cela nous a permis d'effectuer régulièrement des mesures chez 59 patients. Il nous a ainsi été possible de décrire le devenir du médicament dans le corps à l'aide de modèles mathématiques. Nous avons notamment pu déterminer chez ces patients la vitesse à laquelle l'imatinib est éliminé du sang et l'étendue de sa distribution dans l'organisme. Nous avons également observé chez les patients que les concentrations sanguines d'imatinib étaient très variables d'un individu à l'autre pour une même dose de médicament ingérée. Nous avons pu aussi mettre en évidence que les concentrations de la protéine AAG, sur laquelle l'imatinib se lie dans le sang, avait une grande influence sur la vitesse à laquelle le médicament est éliminé de l'organisme. Ensuite, en tenant compte des concentrations sanguines d'imatinib et de cette protéine, nous avons également pu calculer les quantités de médicament non liées à cette protéine (= libres), qui sont seules susceptibles d'avoir une activité anticancéreuse. Enfin, il a été possible d'établir qu'il existait une certaine relation entre ces concentrations, l'effet thérapeutique et la toxicité du traitement. Tous ces éléments constituent des arguments pour approfondir encore l'étude de l'utilité d'un programme de TDM appliqué à l'imatinib. Comme chaque patient est différent, un tel suivi pourrait aider à l'ajustement des doses du médicament avant la progression manifeste de la maladie ou l'apparition de toxicité, améliorant ainsi tant son efficacité que son innocuité.

Métabolisme d'antidépresseurs dans différentes espèces : aspects méthodologiques et pharmacogénétiques, perspectives cliniques

Résumé pour large public Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne Lors de la prise d'un médicament, celui-ci va passer par différentes étapes que sont l'absorption, la distribution, le métabolisme et enfin l'élimination. Ces quatre étapes sont regroupées sous le nom de pharmacocinétique. A noter que ces quatre paramètres sont dynamiques et en constante évolution. Durant cette thèse, nous avons investigué différents aspects de la pharmacocinétique, tout d'abord par une revue de la littérature sur la glycoprotéine-P (Pgp). Récemment découverte, cette protéine de membrane est située aux endroits stratégiques de l'organisme comme la barrière hématoencéphalée, le placenta ou les intestins où elle influencera l'entrée de différentes substances, en particulier les médicaments. La Pgp serait impliquée dans les phénomènes de résistances aux agents thérapeutiques en oncologie. La Pgp influence donc l'absorption des médicaments, et son impact en clinique, en termes d'efficacité de traitement et de toxicité prend chaque jour plus d'importance. Ensuite nous avons mis au point une méthode d'analyse quantitative d'un antidépresseur d'une nouvelle génération : la mirtazapine (Remeron®). La nouveauté réside dans la façon dont la mirtazapine interagit avec les neurotransmetteurs impliqués dans la dépression que sont la sérotonine et la noradrénaline. Cette méthode utilise la chromatographie liquide pour séparer la mirtazapine de ses principaux métabolites dans le sang. La spectrométrie de masse est utilisée pour les détecter et les quantifier. Les métabolites sont des substances issues de réactions chimiques entre la substance mère, la mirtazapine, et généralement des enzymes hépatiques, dans le but de rendre cette substance plus soluble en vue de son élimination. Cette méthode permet de quantifier la mirtazapine et ses métabolites dans le sang de patients traités et de déterminer la variation des taux plasmatiques chez ces patients. Puis nous avons étudié le métabolisme d'un autre antidépresseur, le citalopram, qui a un métabolisme complexe. Le citalopram est un racémate, c'est-à-dire qu'il existe sous forme de deux entités chimiques (R-(-) et S-(+) citalopram) qui ont le même nombre d'éléments mais arrangés différemment dans l'espace. La voie métabolique cérébrale du citalopram est sous le contrôle d'une enzyme, la monoamine oxydase (MAO), conduisant à une forme acide du citalopram (l'acide propionique du citalopram). La MAO existe sous deux formes : MAO-A et MAO-B. Nous avons utilisé des souris déficientes d'un gène, celui de la MAO-A, pour mieux en comprendre le métabolisme en les comparants à des souris sauvages (sans déficience de ce gène). Nous avons utilisé le citalopram et deux de ses métabolites (le déméthylcitaloprarn et le didéméthyícitalopram) comme substrats pour tester la formation in vitro de l'acide propionique du citalopram. Nos résultats montrent que la MAO-A favorise la formation de l'entité R-(-) et présente une plus grande affinité pour le citalopram, tandis que la MAO-B métabolise préférentiellement l'entité S-(+) et a une plus grande affinité pour les deux métabolites déméthylés. De plus, la déficience en MAO-A est partiellement compensée parla MAO-B chez les souris déficientes du gène de la MAO-A. Enfin, nous avons étudié une deuxième voie métabolique du citalopram qui s'est avérée toxique chez le chien Beagle. Celle-ci est catalysée par une autre famille d'enzymes, les cytochromes P-450, et mène aux métabolites déméthylés et didéméthylés du citalopram. Nous avons utilisé des tissus hépatiques de chiens Beagle. Plusieurs cytochromes P-450 sont impliqués dans le métabolisme du citalopram menant à sa forme déméthylée, ceci tant chez l'homme que chez le chien. Par contre, dans le métabolisme de la forme déméthylée menant à 1a forme didéméthylée, un seul cytochrome P-450 serait impliqué chez l'Homme, tandis qu'ils seraient plusieurs chez le chien. L'activité enzymatique produisant la forme didéméthylée est beaucoup plus importante chez le chien comparé à l'homme. Cette observation soutien l'hypothèse que des taux élevés de la forme didéméthylée participent à la toxicité spécifique du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant que les enzymes peuvent être stimulées ou inhibées, il importe de pouvoir suivre au plus prés les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Résumé Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne La plupart des médicaments subissent une transformation enzymatique dans l'organisme. Les substances issues de cette métabolisation ne sont pas toujours dotées d'une activité pharmacologique. Il s'est avéré par conséquent indispensable de suivre les taux plasmatiques d'une substance et de ses métabolites et d'établir ou non l'existence d'une relation avec l'effet clinique observé. Ce concept nommé « therapeutic drag monitoring » (TDM) est particulièrement utile en psychiatrie ou un manque de compliance des patients est fréquemment observé. Les médicaments psychotropes ont un métabolisme principalement hépatique (cytochromes P-450) et parfois cérébral (monoamines oxydases), comme pour le citalopram par exemple. Une méthode stéréosélective de chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse a été développée pour analyser les énantiomères R-(-) et S-(+) d'un antidépresseur agissant sur les récepteurs noradrénergiques et sérotoninergiques, la mirtazapine et de ses métabolites déméthylmirtazapine et 8-hydroxymirtazapine. Les données préliminaires obtenues dans les plasmas dosés suggèrent que les concentrations de R-(-)-mirtazapine sont plus élevées que celles de S-(+)-mirtazapine, à l'exception des patients qui auraient comme co-médication des inhibiteurs du CYP2D6, telle que la fluoxétine ou la thioridazine. Il y a une enantiosélectivité du métabolisme de la mirtazapine. En particulier pour la 8-hydroxymirtazapine qui est glucuroconjuguée et pour laquelle le ratio S/R varie considérablement. Cette méthode analytique présente l'avantage d'être utilisable pour le dosage stéréosélectif de la mirtazapine et de ses métabolites dans le plasma de patients ayant d'autres substances en co-médication. La glycoprotéine P fonctionne comme une pompe transmembranaire transportant les xénobiotiques depuis le milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Son induction et son inhibition, bien que moins étudiées que pour les cytochromes P-450, ont des implications cliniques importantes en termes d'efficacité de traitement et de toxicité. Cette glycoprotéine P a fait l'objet d'une recherche bibliographique. Nous avons étudié le métabolisme du citalopram, un antidépresseur de la classe des inhibiteurs spécifiques de la recapture de la sérotonine chez la souris et chez le chien. Cette substance subit un métabolisme complexe. La voie de métabolisation conduisant à la formation de l'acide propionique du citalopram, catalysée par les monoamines oxydases, a été étudiée in vitro dans les mitochondries cérébrales chez la souris déficiente du gène de la MAO-A (Tg8). La monoamine oxydase A catalyse la formation de l'énantiomère R-(-) et présente une plus grande affinité pour les amines tertiaires, tandis que la monoamine oxydase B favorise la formation de la forme S-(+) et a une affinité plus marquée pour les amines secondaires et primaires. L'étude du citalopram chez la souris Tg8 adulte a montré que la monoamine oxydase B compense la déficience de la monoamine oxydase A chez ces souris génétiquement modifiées. Une autre voie de métabolisation du citalopram conduisant à la formation de didéméthylcitalopram, catalysée par les cytochromes P-450, a été étudiée in vitro dans des microsomes hépatiques de chiens Beagle. Nos études ont montré que les cinétiques de N-déméthylation du citalopram sont biphasiques chez le chien. Les orthologues canins impliqués dans la première N-déméthylation semblent être identiques aux cytochromes P-450 humains. Par contre, dans la deuxième Ndéméthylation, un seul cytochrome P-450 semble être impliqué chez l'homme (CYP2D6), tandis qu'on retrouve jusqu'à cinq orthologues chez le chien. Le CYP2D15, orthologue canin du CYP2D6, est majoritairement impliqué. De plus, l'activité enzymatique, reflétée par les clairances intrinsèques, dans la première N-déméthylation est jusqu'à 45 fois plus élevée chez le chien comparé à l'homme. Ces différentes observations soutiennent l'hypothèse que des taux élevés de didéméthylcitalopram sont responsables de la toxicité du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant -que les enzymes peuvent être induits ou inhibés, il importe de pouvoir suivre au plus près les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Summary Most of the drugs are metabolized in the organism. Substances issued from this metabolic activity do not always show a pharmacological activity. Therefore, it is necessary to monitor plasmatic levels of drugs and their metabolites, and establish the relationship with the clinical effect. This concept named therapeutic drug monitoring is very useful in psychiatry where lack of compliance is commonly observed. Antidepressants are mainly metabolized in the liver (cytochrome P-450) and sometimes in the brain (monoamine oxidase) like the citalopram, for exemple. A LC-MS method was developed, which allows the simultaneous analysis of R-(-) and S-(+) enantiomers of mirtazapine, an antidepressant acting specifically on noradrenergic and serotonergic receptors, and its metabolites demethylmirtazapine and 8-hydroxymirtazapine in plasma of mirtazapine treated patients. Preliminary data obtained suggested that R-(-) mirtazapine concentrations were higher than those of S-(+) mirtazapine, except in patients comedicated with CYP2D6 inhibitors such as fluoxetine or thioridazine. There is an enantioselectivity in the metabolism of mirtazapine. In particular for the 8-hydroxymirtazapine, which is glucuroconjugated and S/R ratio varies considerably. Therefore this method seems to be suitable for the stereoselective assay of mirtazapine and its metabolites in plasma of patients comedicated with mirtazapine and other drugs for routine and research purposes. P-glycoprotein is working as an efflux transporter of xenobiotics from intracellular to extracellular environment. Its induction or inhibition, although less studied than cytochrome P-450, has huge clinical implications in terms of treatment efficacy and toxicity. An extensive literature search on P-glycoprotein was performed as part of this thesis. The study of citalopram metabolism, an antidepressant belonging to the class of selective serotonin reuptake inhibitors. This substance undergoes a complex metabolism. First metabolization route leading to citalopram propionic acid, catalyzed by monoamine oxidase was studied in vitro in mice brain mitochondria. Monoamine oxidase A catalyzed the formation of R-(-) enantiomer and showed greater affinity for tertiary amines, whereas monoamine oxidase B triggered the formation of S-(+) enantiomer and demonstrated higher affinity for primary and secondary amines. citalopram evaluation in adult Tg8 mice showed that monoamine oxidase B compensated monoamine oxidase A deficiency in those genetically transformed mice. The second metabolization route of citalopram leading to didemethylcitalopram and catalyzed by cytochrome P-450 was studied in vitro in Beagle dog's livers. Our results showed that citalopram N-demethylation kinetics are biphasic in dogs. Canine orthologs involved in the first N-demethylation seemed to be identical to human cytochromes P-450. However, in the second N-demethylation only one cytochrome P-450 seemed to be involved in human (CYP2D6), whereas up to five canine orthologs were found in dogs. CYP2D15 canine ortholog of CYP2D6 was mainly involved. In addition, enzymatic activity reflected by intrinsic clearance in the first N-demethylation was up to 45 fold higher in dogs compared to humans. Those observations support the assumption that elevated rates of didemethylcitalopram are responsible for citalopram toxicity in dogs. We can conclude that several enzymes groups are involved in the brain, as well as in the liver, in antidepressant metabolization. Knowing that enzymes may be induced or inhibited, it makes sense to closely monitor plasmatic levels of antidepressants and their metabolites.

Glutathione deficit in schizophrenia: strategies to increase glutathione levels in " in vitro " and clinical studies

Summary: Decrease in glutathione (GSH) levels was observed in cerebrospinal fluid, prefrontal cortex and post-mortem striatum of schizophrenia patients. Evidences suggest a defect in GSH synthesis at the levels of the rate-limiting synthesizing enzyme, glutamate cysteine ligase (GCL). Indeed, polymorphisms in the gene of the modifier subunit of GCL (GCLM) was shown to be associated with the disease in three different populations, GCLM gene expression is decreaséd in fibroblasts from patients and the increase in GCL activity induced by an oxidative stress is lower in patients' fibroblasts compared to controls. GSH being a major antioxydant and redox regulator, its presence is of high importance for protecting cells against oxidative stress. The aim of the present work was to use various substances to increase GSH levels by diverse strategies. Since the synthesizing enzyme GCL is defective, bypassing this enzyme was the first strategy we used. GSH ethyl ester (GSHEE), a membrane permeable analog of GSH, succeeded in replenishing GSH levels in cultured neurons and astrocytes previously depleted in GSH by L-buthionine-(S,R)-sulfoximine (BSO), an inhibitor of GCL. GSHEE also abolished dopamine-induced decrease of NMDA-mediated calcium response observed in BSO-treated neurons. y-Glutamylcysteine ethyl ester (GCSE), a membrane permeable analog of the product of GCL, increased GSH levels only in astrocytes. The second strategy was to boost the defective enzyme GCL. While quercetin (flavonoid) could increase GSH levels only in astrocytes, curcumin (polyphenol) and tertbutylhydroquinone (quinone) were successful in both neurons and astrocytes, via an increase in the gene expression of the two subunits of GCL and, consequently, an increase in the activity of the enzyme. However, FK506, an immunosupressant, was unefficient. Treating astrocytes from GCLM KO mice showed that the modulatory subunit is necessary for the action of the substances. Finally, since cysteine is the limiting precursor in the synthesis of GSH, we hypothesized that we could increase GSH levels by providing more of this precursor. N-acetyl-cysteine (NAC), a cysteine donor, was administered to schizophrenia patients, using adouble-blind and cross-over protocol. NAC significantly improved the mismatch negativity (MMN), a component of the auditory evoked potentials, thought to reflect selective current flowing through open, unblocked NMDA channels. Considering that NMDA function is reduced when GSH levels are low, increasing these levels with NAC could improve NMDA function as reflected by the improvement in the generation of the MMN. Résumé: Les taux de glutathion (GSH) dans le liquide céphalo-rachidien, le cortex préfrontal ainsi que le striatum post-mortem de patients schizophrènes, sont diminués. L'enzyme limitante dans la synthèse du GSH, la glutamyl-cysteine ligase (GCL), est défectueuse. En effet, des polymorphismes dans le gène de la sous-unité modulatrice de GCL (GCLM) sont associés à la maladie, l'expression du gène GCLM est diminuée dans les fibroblastes de patients et, lors d'un stress oxidative, l'augmentation de l'activité de GCL est plus faible chez les patients que chez les contrôles. Le GSH étant un important antioxydant et régulateur du status redox, sa présence est primordiale afin de protéger les cellules contre les stress oxydatifs. Au cours du présent travail, une variété de substances ont été utilisées dans le but d'augmenter les taux de GSH. Passer outre l'enzyme de synthèse GCL qui est défectueuse fut la première stratégie utilisée. L'éthylester de GSH (GSHEE), un analogue du GSH qui pénètre la membrane cellulaire, a augmenté les taux de GSH dans des neurones et des astrocytes déficitaires en GSH dû au L-buthionine-(S,R)-sulfoximine (BSO), un inhibiteur du GCL. Dans ces neurones, le GSHEE a aussi aboli la diminution de la réponse NMDA, induite parla dopamine. L'éthyl-ester de y-glutamylcysteine (GCEE), un analogue du produit de la GCL qui pénètre la membrane cellulaire, a augmenté les taux de GSH seulement dans les astrocytes. La seconde stratégie était d'augmenter l'activité de l'enzyme GCL. Tandis que la quercétine (flavonoïde) n'a pu augmenter les taux de GSH que dans les astrocytes, la curcumin (polyphénol) et le tert-butylhydroquinone (quinone) furent efficaces dans les deux types de cellules, via une augmentation de l'expression des gènes des deux sous-unités de GCL et de l'activité de l'enzyme. Le FK506 (immunosupresseur) n' a démontré aucune efficacité. Traiter des astrocytes provenant de souris GCLM KO a permis d'observer que la sous-unité modulatoire est nécessaire à l'action des substances. Enfin, puisque la cysteine est le substrat limitant dans la synthèse du GSH, fournir plus de ce présurseur pourrait augmenter les taux de GSH. Nacétyl-cystéine (NAC), un donneur de cystéine, a été administrée à des schizophrènes, lors d'une étude en double-aveugle et cross-over. NAC a amélioré le mismatch negativity (MMN), un composant des potentials évoqués auditifs, qui reflète le courant circulant via les canaux NMDA. Puisque la fonctionnalité des R-NMDA est diminuée lorsque les taux de GSH sont bas, augmenter ces taux avec NAC pourrait améliorer la fonction des R-NMDA, réflété par une augmentation de l'amplitude du MMN.