Intrinsic ROS-production capacity of nanoparticles

Engineered nanomaterials (ENMs) exhibit special physicochemical properties and thus are finding their way into an increasing number of industries, enabling products with improved properties. Their increased use brings a greater likelihood of exposure to the nanoparticles (NPs) that could be released during the life cycle of nano-abled products. The field of nanotoxicology has emerged as a consequence of the development of these novel materials, and it has gained ever more attention due to the urgent need to gather information on exposure to them and to understand the potential hazards they engender. However, current studies on nanotoxicity tend to focus on pristine ENMs, and they use these toxicity results to generalize risk assessments on human exposure to NPs. ENMs released into the environment can interact with their surroundings, change characteristics and exhibit toxicity effects distinct from those of pristine ENMs. Furthermore, NPs' large surface areas provide extra-large potential interfaces, thus promoting more significant interactions between NPs and other co-existing species. In such processes, other species can attach to a NP's surface and modify its surface functionality, in addition to the toxicity in normally exhibits. One particular occupational health scenario involves NPs and low-volatile organic compounds (LVOC), a common type of pollutant existing around many potential sources of NPs. LVOC can coat a NP's surface and then dominate its toxicity. One important mechanism in nanotoxicology is the creation of reactive oxygen species (ROS) on a NP's surface; LVOC can modify the production of these ROS. In summary, nanotoxicity research should not be limited to the toxicity of pristine NPs, nor use their toxicity to evaluate the health effects of exposure to environmental NPs. Instead, the interactions which NPs have with other environmental species should also be considered and researched. The potential health effects of exposure to NPs should be derived from these real world NPs with characteristics modified by the environment and their distinct toxicity. Failure to suitably address toxicity results could lead to an inappropriate treatment of nano- release, affect the environment and public health and put a blemish on the development of sustainable nanotechnologies as a whole. The main objective of this thesis is to demonstrate a process for coating NP surfaces with LVOC using a well-controlled laboratory design and, with regard to these NPs' capacity to generate ROS, explore the consequences of changing particle toxicity. The dynamic coating system developed yielded stable and replicable coating performance, simulating an important realistic scenario. Clear changes in the size distribution of airborne NPs were observed using a scanning mobility particle sizer, were confirmed using both liquid nanotracking analyses and transmission electron microscopy (TEM) imaging, and were verified thanks to the LVOC coating. Coating thicknesses corresponded to the amount of coating material used and were controlled using the parameters of the LVOC generator. The capacity of pristine silver NPs (Ag NPs) to generate ROS was reduced when they were given a passive coating of inert paraffin: this coating blocked the reactive zones on the particle surfaces. In contrast, a coating of active reduced-anthraquinone contributed to redox reactions and generated ROS itself, despite the fact that ROS generation due to oxidation by Ag NPs themselves was quenched. Further objectives of this thesis included development of ROS methodology and the analysis of ROS case studies. Since the capacity of NPs to create ROS is an important effect in nanotoxicity, we attempted to refine and standardize the use of 2'7-dichlorodihydrofluorescin (DCFH) as a chemical tailored for the characterization of NPs' capacity for ROS generation. Previous studies had reported a wide variety of results, which were due to a number of insufficiently well controlled factors. We therefore cross-compared chemicals and concentrations, explored ways of dispersing NP samples in liquid solutions, identified sources of contradictions in the literature and investigated ways of reducing artificial results. The most robust results were obtained by sonicating an optimal sample of NPs in a DCFH-HRP solution made of 5,M DCFH and 0.5 unit/ml horseradish peroxidase (HRP). Our findings explained how the major reasons for previously conflicting results were the different experimental approaches used and the potential artifacts appearing when using high sample concentrations. Applying our advanced DCFH protocol with other physicochemical characterizations and biological analyses, we conducted several case studies, characterizing aerosols and NP samples. Exposure to aged brake wear dust engenders a risk of potential deleterious health effects in occupational scenarios. We performed microscopy and elemental analyses, as well as ROS measurements, with acellular and cellular DCFH assays. TEM images revealed samples to be heterogeneous mixtures with few particles in the nano-scale. Metallic and non-metallic elements were identified, primarily iron, carbon and oxygen. Moderate amounts of ROS were detected in the cell-free fluorescent tests; however, exposed cells were not dramatically activated. In addition to their highly aged state due to oxidation, the reason aged brake wear samples caused less oxidative stress than fresh brake wear samples may be because of their larger size and thus smaller relative reactive surface area. Other case studies involving welding fumes and differently charged NPs confirmed the performance of our DCFH assay and found ROS generation linked to varying characteristics, especially the surface functionality of the samples. Les nanomatériaux manufacturés (ENM) présentent des propriétés physico-chimiques particulières et ont donc trouvés des applications dans un nombre croissant de secteurs, permettant de réaliser des produits ayant des propriétés améliorées. Leur utilisation accrue engendre un plus grand risque pour les êtres humains d'être exposés à des nanoparticules (NP) qui sont libérées au long de leur cycle de vie. En conséquence, la nanotoxicologie a émergé et gagné de plus en plus d'attention dû à la nécessité de recueillir les renseignements nécessaires sur l'exposition et les risques associés à ces nouveaux matériaux. Cependant, les études actuelles sur la nanotoxicité ont tendance à se concentrer sur les ENM et utiliser ces résultats toxicologiques pour généraliser l'évaluation des risques sur l'exposition humaine aux NP. Les ENM libérés dans l'environnement peuvent interagir avec l'environnement, changeant leurs caractéristiques, et montrer des effets de toxicité distincts par rapport aux ENM originaux. Par ailleurs, la grande surface des NP fournit une grande interface avec l'extérieur, favorisant les interactions entre les NP et les autres espèces présentes. Dans ce processus, d'autres espèces peuvent s'attacher à la surface des NP et modifier leur fonctionnalité de surface ainsi que leur toxicité. Un scénario d'exposition professionnel particulier implique à la fois des NP et des composés organiques peu volatils (LVOC), un type commun de polluant associé à de nombreuses sources de NP. Les LVOC peuvent se déposer sur la surface des NP et donc dominer la toxicité globale de la particule. Un mécanisme important en nanotoxicologie est la création d'espèces réactives d'oxygène (ROS) sur la surface des particules, et les LVOC peuvent modifier cette production de ROS. En résumé, la recherche en nanotoxicité ne devrait pas être limitée à la toxicité des ENM originaux, ni utiliser leur toxicité pour évaluer les effets sur la santé de l'exposition aux NP de l'environnement; mais les interactions que les NP ont avec d'autres espèces environnementales doivent être envisagées et étudiées. Les effets possibles sur la santé de l'exposition aux NP devraient être dérivés de ces NP aux caractéristiques modifiées et à la toxicité distincte. L'utilisation de résultats de toxicité inappropriés peut conduire à une mauvaise prise en charge de l'exposition aux NP, de détériorer l'environnement et la santé publique et d'entraver le développement durable des industries de la nanotechnologie dans leur ensemble. L'objectif principal de cette thèse est de démontrer le processus de déposition des LVOC sur la surface des NP en utilisant un environnement de laboratoire bien contrôlé et d'explorer les conséquences du changement de toxicité des particules sur leur capacité à générer des ROS. Le système de déposition dynamique développé a abouti à des performances de revêtement stables et reproductibles, en simulant des scénarios réalistes importants. Des changements clairs dans la distribution de taille des NP en suspension ont été observés par spectrométrie de mobilité électrique des particules, confirmé à la fois par la méthode dite liquid nanotracking analysis et par microscopie électronique à transmission (MET), et a été vérifié comme provenant du revêtement par LVOC. La correspondance entre l'épaisseur de revêtement et la quantité de matériau de revêtement disponible a été démontré et a pu être contrôlé par les paramètres du générateur de LVOC. La génération de ROS dû aux NP d'argent (Ag NP) a été diminuée par un revêtement passif de paraffine inerte bloquant les zones réactives à la surface des particules. Au contraire, le revêtement actif d'anthraquinone réduit a contribué aux réactions redox et a généré des ROS, même lorsque la production de ROS par oxydation des Ag NP avec l'oxygène a été désactivé. Les objectifs associés comprennent le développement de la méthodologie et des études de cas spécifique aux ROS. Etant donné que la capacité des NP à générer des ROS contribue grandement à la nanotoxicité, nous avons tenté de définir un standard pour l'utilisation de 27- dichlorodihydrofluorescine (DCFH) adapté pour caractériser la génération de ROS par les NP. Des etudes antérieures ont rapporté une grande variété de résultats différents, ce qui était dû à un contrôle insuffisant des plusieurs facteurs. Nous avons donc comparé les produits chimiques et les concentrations utilisés, exploré les moyens de dispersion des échantillons HP en solution liquide, investigué les sources de conflits identifiées dans les littératures et étudié les moyens de réduire les résultats artificiels. De très bon résultats ont été obtenus par sonication d'une quantité optimale d'échantillons de NP en solution dans du DCFH-HRP, fait de 5 nM de DCFH et de 0,5 unité/ml de Peroxydase de raifort (HRP). Notre étude a démontré que les principales raisons causant les conflits entre les études précédemment conduites dans la littérature étaient dues aux différentes approches expérimentales et à des artefacts potentiels dus à des concentrations élevées de NP dans les échantillons. Utilisant notre protocole DCFH avancé avec d'autres caractérisations physico-chimiques et analyses biologiques, nous avons mené plusieurs études de cas, caractérisant les échantillons d'aérosols et les NP. La vielle poussière de frein en particulier présente un risque élevé d'exposition dans les scénarios professionnels, avec des effets potentiels néfastes sur la santé. Nous avons effectué des analyses d'éléments et de microscopie ainsi que la mesure de ROS avec DCFH cellulaire et acellulaire. Les résultats de MET ont révélé que les échantillons se présentent sous la forme de mélanges de particules hétérogènes, desquels une faible proportion se trouve dans l'échelle nano. Des éléments métalliques et non métalliques ont été identifiés, principalement du fer, du carbone et de l'oxygène. Une quantité modérée de ROS a été détectée dans le test fluorescent acellulaire; cependant les cellules exposées n'ont pas été très fortement activées. La raison pour laquelle les échantillons de vielle poussière de frein causent un stress oxydatif inférieur par rapport à la poussière de frein nouvelle peut-être à cause de leur plus grande taille engendrant une surface réactive proportionnellement plus petite, ainsi que leur état d'oxydation avancé diminuant la réactivité. D'autres études de cas sur les fumées de soudage et sur des NP différemment chargées ont confirmé la performance de notre test DCFH et ont trouvé que la génération de ROS est liée à certaines caractéristiques, notamment la fonctionnalité de surface des échantillons.

Targeted inactivation of hypocretin receptors in dopaminergic and noradrenergic systems alters brain activity in wakefulness

Since the discovery of hypocretins/orexins (Hcrt/Ox) in 1998, several narcoleptic mouse models, such as Hcrt-KO, Hcrtrl-KO, Hcrtr2-KO and double receptors KO mice, and orexin-ataxin transgenic mice were generated. The available Hcrt mouse models do not allow the dissection of the specific role of Hcrt in each target region. Dr. Anne Vassalli generated loxP-flanked alleles for each Hcrt receptor, which are manipulated by Cre recombinase to generate mouse lines with disrupted Hcrtrl or Hcrtr2 (or both) in cell type-specific manner. The role of noradrenaline (NA) and dopamine (OA) in ttie regulation of vigilance states is well documented. The purpose of this thesis is to explore the role of the Hcrt input into these two monoaminergic systems. Chronic loss of Hcrtrl in NA neurons consolidated paradoxical sleep (PS), and altered wakefulness brain activity in baseline, during the sleep deprivation (SD), and when mice were challenged by a novel environment, or exposed to nest-building material. The analysis of alterations in the sleep EEG delta power showed a consistent correlation with the changes in the preceding waking quality in these mice. Targeted inactivation of Hcrt input into DA neurons showed that Hcrtr2 inactivation present the strongest phenotype. The loss of Hcrtr2 in DA neurons caused modified brain activities in spontaneous wakefulness, during SD, and in novel environmental conditions. In addition to alteration of wakefulness quality and quantity, conditional inactivation of Hcrtr2 in DA neurons caused an increased in time spent in PS in baseline and a delayed and less complete PS recovery after SD. In the first 30 min of sleep recovery, single (i.e. for Hcrtrl or Hcrtr2) conditional knockout receptor mice had opposite changes in delta activity, including an increased power density in the fast delta range with specific inactivation of Hcrtr2, but a decreased power density in the same range with specific inactivation of Hcrtrl in DA cells. These studies demonstrate a complex impact of Hcrt receptors signaling in both NA and DA system, not only on quantity and quality of wakefulness, but also on PS amount regulation as well as on SWS delta power expression. -- Depuis la découverte des hypocrétines/orexines (Hcrt/Ox) en 1998, plusieurs modèles de souris, narcoleptiques telles que Hcrt-KO, Hcrtr2-KO et récepteurs doubles KO et les souris transgéniques orexine-ataxine ont été générés. Les modèles de souris Hcrt disponibles ne permettaient pas la dissection du rôle spécifique de l'Hcrt dans chaque noyau neuronal cible. Notre laboratoire a généré des allèles loxP pour chacun des 2 gènes codant pour les récepteurs Hcrtr, qui sont manipulés par recombinase Cre pour générer des lignées de souris avec Hcrtrl inactivé, ou Hcrtr2 inactivé, (ou les deux), spécifiquement dans un type cellulaire particulier. Le rôle de la noradrénaline (NA) et la dopamine (DA) dans la régulation des états de vigilance est bien documentée. Le but de cette thèse est d'étudier le rôle de l'afférence Hcrt dans ces deux systèmes monoaminergiques au niveau de l'activité cérébrale telle qu'elle apparaît dans l'électroencéphalogramme (EEG). Mon travail montre que la perte chronique de Hcrtrl dans les neurones NA consolide le sommeil paradoxal (PS), et l'activité cérébrale de l'éveil est modifiée en condition spontanée, au cours d'une experience de privation de sommeil (SD), et lorsque les souris sont présentées à un nouvel environnement, ou exposées à des matériaux de construction du nid. Ces modifications de l'éveil sont corrélées à des modifications de puissance de l'activité delta du sommeil lent qui le suit. L'inactivation ciblée des Hcrtrs dans les neurones DA a montré que l'inactivation Hcrtr2 conduit au phénotype le plus marqué. La perte de Hcrtr2 dans les neurones DA mène à des modification d'activité cérébrale en éveil spontané, pendant SD, ainsi que dans des conditions environnementales nouvelles. En plus de l'altération de la qualité de l'éveil et de la quantité, l'inactivation conditionnelle de Hcrtr2 dans les neurones DA a provoqué une augmentation du temps passé en sommeil paradoxal (PS) en condition de base, et une reprise retardée et moins complète du PS après SD. Dans les 30 premières minutes de la récupération de sommeil, les modèles inactivés pour un seul des récepteurs (ie pour Hcrtrl ou Hcrtr2 seulement) montrent des changements opposés en activité delta, en particulier une densité de puissance accrue dans le delta rapide avec l'inactivation spécifique de Hcrtr2, mais une densité de puissance diminuée dans cette même gamme chez les souris inactivées spécifiquement en Hcrtrl dans les neurones DA. Ces études démontrent un impact complexe de l'inactivation de la neurotransmission au niveau des récepteurs d'Hcrt dans les deux compartiments NA et DA, non seulement sur la quantité et la qualité de l'éveil, mais aussi sur la régulation de quantité de sommeil paradoxal, ainsi que sur l'expression de la puissance delta pendant le sommeil lent.

Neuropathogenesis in glutaric aciduria type I and methylmalonic aciduria

Glutaric aciduria type-I (GA-I) and methylmalonic aciduria (MMA-uria) are two neurometabolic diseases manifesting in neonatal period and early childhood. They belong to the group of organic acidurias and are caused by defects in the catabolism of amino acids, leading to massive accumulation of toxic metabolites in the body and severe brain injury. Therapeutic strategies are mainly based on reversing catabolic state during metabolic crisis and dietary protein restriction that both aim to prevent extra production of toxic metabolites. Specific and neuroprotective treatments are missing because the mechanisms of brain damage in these diseases are only poorly understood. The principal objective of my work was to develop in vitro models for both diseases aiming at elucidation of toxic effects of the main metabolites accumulating in GA-I (glutaric acid (GA) and 3-hydroxy glutaric acid (3-OHGA)) and MMA-uria (methylmalonic acid (MMA), propionic acid (PA) and 2-methylcitric acid (2-MCA)) on developing brain cells, and to study the cellular pathways targeted by these deleterious effects in order to find new therapeutic potentials. We used re-aggregated embryonic rat brain cells in organotypic 3D cultures, which were exposed to toxic metabolites at different developing stages of the cultures. In parallel, we studied the cellular localization of the defected enzyme in GA-I, glutaryl-CoA dehydrogenase (GCDH), in the brain and peripheral tissues of rats in adulthood and during embryonic development. GCDH expression: GCDH showed a strong neuronal expression in embryonic central and peripheral nervous system. In the adult brain, GCDH expression was exclusively neuronal with the strongest signal in cerebral cortex and Purkinje cells. GCDH expression was homogenous in embryonic peripheral organs with high levels in intestinal mucosa at late stages. Strong GCDH expression was also observed in liver and intestinal mucosa and with lower intensity in muscles, convoluted renal tubules and renal collecting tubes in adult peripheral organs. GA-I and MMA-uria in vitro models: 3-OHGA (for GA-I) and 2-MCA (for MMA-uria) showed the most deleterious effects at early stages of the cultures with morphological and biochemical alterations and induction of cell death. 3-OHGA and 2-MCA caused astrocytic cell suffering reflected by astrocytic fiber loss and swelling and retardation in oligodendrocytic maturation and/or differentiation. High ammonium increase concomitant with glutamine decrease was observed in these cultures. Neurons were not substantially affected. Our studies revealed that brain-cell generated ammonia may play a role in the neuropathogenesis of these diseases. Thus, developing neuroprotective strategies that target ammonium toxicity in the brain of GA-I and MMA-uria patients might be important according to our findings. -- L'acidurie glutarique de type I (GA-I) et l'acidurie méthylmalonique (MMA-urie) sont deux maladies neurométaboliques se manifestant durant la période néonatale ou la petite enfance, et qui appartiennent aux aciduries organiques. Elles sont causées par des défauts dans le catabolisme des acides aminés, conduisant à une accumulation des métabolites toxiques dans le corps et aussi des lésions cérébrales sévères. Le traitement est limité à une prise en charge d'urgence pendant la crise métabolique et à une diète restreinte en protéines naturelles. Des traitements spécifiques, neuroprotecteurs manquent principalement parce que les mécanismes conduisant aux lésions cérébrales dans ces maladies sont peu connus. L'objectif principal de mon travail était d'élucider les effets toxiques des métabolites accumulés dans GA-I (l'acide glutarique (GA) et l'acide 3-hydroxyglutarique (3-OHGA)) et MMA-uria (l'acide méthylmalonique (MMA), l'acide propionique (PA) et l'acide 2-méthylcitrique(2-MCA) sur les cellules du cerveau ainsi que les voies cellulaires impliquées, dans le but de trouver de potentielles nouvelles stratégies thérapeutiques. Nous avons utilisé un modèle in vitro de cultures 3D de cellules de cerveau d'embryons de rat (en développement) en les exposant aux métabolites toxiques à différents stades de développement des cultures. En parallèle, nous avons étudié la localisation cellulaire de l'enzyme déficiente dans GA-I, la CoA-glutarly déshydrogénase (GCDH), dans le cerveau et les organes périphériques des rats adultes et pendant le développement embryonnaire. L'expression de GCDH: GCDH a montré une expression neuronale forte dans le système nerveux chez l'embryon et le cerveau adulte. L'expression était homogène dans les organes périphériques avec une forte expression dans l'intestin. Les modèles in vitro de GA-I et MMA-uria : 3-OHGA en modèle GA-I et 2-MCA en modèle MMA-uria ont montré les effets délétères les plus importants avec des altérations morphologiques des cellules et biochimiques dans le milieu de culture et l'induction de mort cellulaire non-apoptotique (3-OHGA) ou apoptotique (2-MCA). 3-OHGA et 2-MCA ont provoqué une souffrance astrocytaire avec perte des fibres et gonflement et un retard de maturation et/ou de différentiation des oligodendrocytes. Une augmentation importante d'ammonium avec une diminution concomitante de glutamine a été observée dans les cultures. Les neurones n'étaient pas vraiment affectés. Nos études ont révélé que l'ammonium généré par les cellules cérébrales pourrait jouer un rôle dans la neuropathogenèse de ces deux maladies. Par conséquent, développer des stratégies neuroprotectrices ciblant la toxicité de l'ammonium dans le cerveau des patients atteints de GA-I ou MMA-urie pourrait être très important selon nos résultats.

Aide-mémoire de biochimie et de biologie moléculaire

Cet aide-mémoire présente l'essentiel des connaissances actuelles en biochimie et biologie moléculaire. Plus de 1 400 rubriques et de multiples renvois permettent la compréhension immédiate des concepts et notions abordés. Les termes anglais les plus courants sont mentionnés et traduits. L'objectif n'étant pas de concurrencer les nombreux ouvrages fondamentaux déjà disponibles, les notions les plus élémentaires ne sont pas exposées. Dans ce même esprit, un souci d'originalité a présidé au choix des figures et tableaux. Afin d'offrir une vue globale des phénomènes métaboliques et de leurs moyens d'étude, de très nombreux compléments sont présentés en biologie cellulaire, génétique, immunologie et microbiologie. Ainsi rédigé, Aide-mémoire de biochimie et biologie moléculaire a été conçu pour accompagner les étudiants des 1er, 2e et 3e cycles de sciences de la vie, médecine et pharmacie, mais aussi pour constituer un ouvrage de référence que consulteront avec profit les enseignants et chercheurs de tous niveaux, ainsi que les techniciens de laboratoire.

Aide-mémoire de biochimie et de biologie moléculaire

Cet aide-mémoire présente un condensé de l'essentiel des connaissances actuelles en biochimie et biologie moléculaire. Plus de 1 200 rubriques et de multiples renvois permettent la compréhension immédiate des concepts et notions abordés. Les termes anglais les plus courants sont mentionnés et traduits. L'objectif n'étant pas de concurrencer les nombreux ouvrages fondamentaux déjà disponibles, les notions les plus élémentaires ne sont pas exposées. Dans ce même esprit, un souci d'originalité a présidé au choix des figures et tableaux. Afin d'offrir une vue globale des phénomènes métaboliques et de leurs moyens d'étude, de très nombreux compléments sont présentés en biologie cellulaire, génétique, immunologie et microbiologie. Ainsi rédigé, Aide-mémoire de biochimie et de biologie moléculaire a été conçu pour accompagner les étudiants des 1er, 2ème et 3ème cycles de biologie, médecine et pharmacie, mais aussi pour constituer un ouvrage de référence que consulteront avec profit les enseignants et chercheurs de tous niveaux, ainsi que les techniciens de laboratoire.

Aide-mémoire de biochimie et de biologie moléculaire

Cet aide-mémoire de biochimie et de biologie moléculaire présente l'essentiel des connaissances actuelles en biochimie et biologie moléculaire. Plus de 1500 rubriques et de multiples renvois permettent la compréhension immédiate des concepts et notions abordés. Les termes anglais les plus courants sont mentionnés et traduits. L'objectif n'étant pas de concurrencer les nombreux ouvrages fondamentaux déjà disponibles, les notions les plus élémentaires ne sont pas exposées. Dans ce même esprit, un souci d'originalité a présidé au choix des figures et tableaux. Afin d'offrir une vue globale des phénomènes métaboliques et de leurs moyens d'étude, de très nombreux compléments sont présentés en biologie cellulaire, génétique, immunologie et microbiologie. Ainsi rédigé, Aide-mémoire de biochimie et biologie moléculaire a été conçu pour accompagner les étudiants des 1er, 2e et 3e cycles de sciences de la vie, médecine et pharmacie, mais aussi pour constituer un ouvrage de référence que consulteront avec profit les enseignants et chercheurs de tous niveaux, ainsi que les techniciens de laboratoire.

Collagen (NeuraGen®) nerve conduits and stem cells for peripheral nerve gap repair

Le système nerveux périphérique est responsable de la transmission des impulses motrices, ainsi que de la réception des afférences sensorielles. Les lésions traumatiques des nerfs périphériques conduisent à une impotence fonctionnelle qui peut être dévastant, notamment chez les travailleurs manuels,. La récupération fonctionnelle est donc le but principal dans chirurgie des nerfs périphériques. Malheureusement, une suture directe des moignons nerveux est souvent impossible dans le contexte des traumatismes complexes qui surviennent lors des accidents. La suture nerveuse par interposition d'autogreffe reste le gold standard dans la pratique chirurgicale mais nécessite le sacrifice d'un nerf donneur, avec dysesthésie et possibles douleurs neuropathiques conséquentes. Alternativement, des guides tubulaires pour les nerfs peuvent être utilisées si le gap nerveux est inférieur à 3 cm. Plusieurs guides résorbables en collagène sont approuve en Europe et aux Etas Unis (FDA). Dans cette étude, des conduits de collagène ont été associe a des cellules régénératives (cellules souches adultes) comme stratégie supplémentaire de régénération. Une fois testé le rapport des cellules avec le biomatériau (NeuraGen® nerve guides) in vitro, une étude in vivo dans le rat a été effectuée. Les différents groupes de conduits ont été supplémentés respectivement avec Schwann cells (SC); avec cellules souches adultes dérivées de la moelle épinière, différentiées en cellules "Schwann-like" (dMSC); avec cellules souches adultes dérivées de la graisse, différentiées en cellules "Schwann-like" (dASC). Un groupe de conduits avec du milieu de culture sans cellules a été utilisé comme group control. Les conduits ont été utilisés pour combler un gap de 1cm dans un model de section totale du nerf sciatique chez le rat. Deux semaines post implantation, une analyse immuno-histochimique a été effectuée pour évaluer la régénération axonales et l'infiltration de cellules de Schwann au niveau du conduit. Les cellules ont montré une adhérence efficace aux parois de collagène. En particulier, les cellules de Schwann ont montré une amélioration significative au niveau du sprouting distale. Par contre, aucune différence significative n'a été remarquée entre les groupes pour le sprouting axonale proximal. De plus, si les cellules souches ont montré un pattern de sprouting diffus, les cellules de Schwann ont par contre garanti un cône de croissance typique, associé a une affinité remarquable pour les parois de collagène. NeuraGen® guides pourraient donc être un moyen adapté a l'association avec la thérapie cellulaire en raison de la bonne adhérence des cellules au biomatériau. Des modifications de surface dans le but d'améliorer la performance neurotrophique cellulaire in vivo (e.g. peptides de matrice extracellulaire) pourront être utilisées dans des applications futures.

Characterization of the HIV protease inhibitor Nelfinavir cellular targets

The HIV protease inhibitors (HIV-PIs) are among the most potent antiviral drugs for the HIV infection. Treatment of patients with HIV-PIs has been linked with development of side effects including dyslipidemia, lipodystrophy syndrome and cardiovascular complications. Moreover, these drugs have shown anti-tumoral activity in non-infected patients but little is known about the involved molecular mechanism for these off-target effects. Here we propose that the HIV-PI Nelfinavir could block a cellular protease thus causing the observed phenotypes. We firstly focus our attention on a cellular protein, DDI2, showing sequence and structural conservation with the HIV protease. We applied cellular and in vitro approaches to produce a correctly folded recombinant protein in order to investigate the presence of a proteolytic activity. Despite the fact that we could identify two techniques that can be applied to produce a folded recombinant DDI2, no proteolytic activity has been identified in the present study. However, we could observe that decreasing the DDI2 levels recapitulated some phenotype observed in presence of HIV-PIs, including the phosphorylation of the protein translation regulators eIF2a and eEF2. As an alternative approach to identify cellular targets for HIV-PIs, we applied a proteomic screening called Slice-SILAC. We focused our attention on the defective maturation of Lamin A, a member of the nuclear lamina, induced by the block of the cellular protease Zmpste24. We demonstrated that Nelfinavir induced accumulation of Prelamin A and nuclear shape defects and in addition caused presence of cytosolic DNA, probably due to TREX1 downregulation. We showed that these phenotypes correlated with activation of the AIM2 inflammasome and IL-lß release. These findings suggest that DDI2 and Zmpste24 are direct or indirect cellular targets for the HIV-PIs and indicate a possible role for these proteins in promoting off-target effects and anti¬tumoral activity observed in HIV-PI treated patients. -- Les inhibiteurs de la protéase du VIH (IP-VIH) sont parmi les médicaments antiviraux les plus efficaces pour l'infection par le VIH. Le traitement des patients avec les IP-VIH cause des effets secondaires comprenant la dyslipidémie, le syndrome de lipodystrophie et les complications cardio-vasculaires. De plus, ces médicaments ont montré une activité anti-tumorale chez les patients non infectés, toutefois le mécanisme moléculaire impliqué dans ces effets hors-cible reste inconnu. Nous proposons que l'IP-VIH Nelfinavir puisse bloquer une protéase cellulaire provoquant les phénotypes observés. De ce fait, nous avons concentré notre attention sur une protéine cellulaire, DDI2, qui possède une séquence et une structure proche de celle de la protéase du VIH. Nous avons appliqué des approches cellulaire et in vitro pour produire une protéine recombinante correctement repliée afin d'étudier son activité protéolytique. Malgré le fait que nous avons pu identifier deux techniques qui peuvent être appliquées pour produire une protéine DDI2 recombinante correctement repliée, aucune activité protéolytique n'a été identifiée dans la présente étude. De plus, nous avons pu observer que la réduction de DDI2 récapitule les phénotypes observé avec le IP-VIH, y compris les phosphorylations de eIF2a et eEF2, impliquées dans la régulation de la traduction protéique. Une approche alternative, appelée Slice-SILAC, a été utilisée afin d'identifier de nouvelles cibles cellulaires du Nelfinavir. Nous avons concentré notre attention sur la maturation défectueuse de la Lamine A, un membre de la lamine nucléaire, induite par l'inhibition de la protéase cellulaire Zmpste24. Nous avons démontré que le Nelfinavir induit une accumulation de Prélamine A déformant la membrane nucléaire et la présence d'ADN cytosolique, probablement en raison de la régulation négative de TREX1. Nous avons montré que ces phénotypes causent l'activation de l'inflammasome AIM2 et la sécrétion d'IL-lß. Ces résultats suggèrent que DDI2 et Zmpste24 sont des cibles cellulaires pour les IP-VIH et indiquent un possible rôle pour ces protéines dans l'apparition d'effets secondaires ainsi que dans l'activité anti-tumorale observée chez les patients traités avec les IP-VIH.

Analysis of SKI-1/S1P prodomain provides insight on maturation and activation of SKI-1/S1P zymogen

SKI-l/SlP protease is a member of the proprotein convertase family, with several functions in cellular metabolism and homeostasis. It is responsible for the processing of several cellular substrates, including ATF6, SREBPs, and GlcNAc-1- phosphotranspherase. Furthermore, SKI-1/SlP is also responsible for maturation of arenavirus surface glycoprotein into GP1 and GP2 subunits. This processing is a strict requirement in order to achieve fully mature and fusion-competent virions. Furthermore, SKI-1/SlP itself is synthesized as an inactive zymogen, requiring sequential autocatalytic processing at several sites (B'/B and C) in its prodomain in order to mature and become fully active. Our project focused on the analysis of SKI- 1/S1P prodomain in the biogenesis of the active enzyme. In this context we have additionally developed and characterized a novel cell-based sensor for assessment of cellular activity of the enzyme, with a potential application in screening for novel SKI- 1/S1P inhibitors. In a first aim we have analysed the relevance of cleavage motifs found in the enzyme prodomain. Using molecular and biochemistry tools we have identified and characterized a novel C' maturation site. Furthermore, we found that SKI-1/SlP autoprocessing results in intermediates whose catalytic domain remains associated with prodomain fragments of different lengths. Contrasting with other proprotein convertases, incompletely matured intermediates of SKI-1/SlP exhibit full catalytic activity toward selected substrates. In a second aim, we turned our attention to the structural basis of SKI-1/SlP N- terminus assisted folding. Studying the folding and activity of prodomain-truncated forms of the enzyme we found that a minimal folding unit is contained in the AB region. Deletion of the BC sequence affected auto-maturation but not folding, and partial activity was retained. However, the BC region seemed required for complete and full activity. Phylogenetic analyses showed that the AB sequence is highly conserved, while the BC fragment is variable in sequence and length. Specifically, replacement of the human prodomain with that of Drosophila, resulted in a fully mature and active chimeric enzyme, suggesting an evolution process of SKI-1/SlP prodomain towards a more complex arrangement and steps of activation. Overall, the additional data we have produced might provide fundamental knowledge crucial for the development of novel SKI-1/SlP inhibitors while also providing new SKI- 1/S1P variants with potential use in crystallization purpose. -- SKI-l/SlP est une protéase membre de la famille des proprotéines convertases (PCs), avec plusieurs fonctions dans le métabolisme cellulaire et de l'homéostasie. Il est responsable pour la maturation de plusieurs substrats cellulaires, y compris ATF6, SREBPs et GlcNAc-1-phosphotranspherase. SKI-l/SlP est également responsable pour la maturation de la glycoprotéine des arénavirus, une exigence stricte pour atteindre des virions infectieuse. Synthétisé comme un zymogène inactif, SKI-l/SlP nécessite d'un traitement autocatalytique séquentiel sur plusieurs sites (B'/B et C) de son prodomaine afin de devenir pleinement active. Notre projet était axé sur l'analyse de SKI-l/SlP prodomaine dans la biogenèse de l'enzyme. Dans ce contexte, nous avons développé un nouveau senseur-cellulaire pour l'évaluation de l'activité de l'enzyme. Ce dernier pourrait avoir une potentielle application dans l'identification de nouveaux inhibiteurs de SKI-l/SlP. Premièrement, nous avons analysé la pertinence des motifs de clivage trouvés dans le prodomaine de l'enzyme. En utilisant des outils moléculaires et biochimiques, nous avons identifié et caractérisé un nouveau site de maturation (C'). Aussi, nous avons constaté que la maturation de SKI-l/SlP a des intermédiaires dont le domaine catalytique reste associé à des fragments du prodomaine de différentes longueurs. Contrastant avec d'autres PCs, les intermédiaires partiellement matures de SKI-1 / SIP présentent une activité catalytique complète envers des substrats spécifiques. Dans un deuxième but nous avons tourné notre attention sur la base structurelle du pliage de SKI-l/SlP assisté par son N-terminus: En étudiant l'activité et pliage des formes tronquées dans le prodomaine de l'enzyme, nous avons constaté qu'une unité de pliage minimale est contenue dans la région de l'AB. La suppression de la séquence d'auto-BC affecte la maturation mais pas le pliage, et l'activité partielle est maintenue. Cependant, la région BC semble nécessaire pour une activité complète. Les analyses phylogénétiques ont montré que la séquence AB est fortement conservée, tandis que le fragment de BC est variable en longueur et en séquence. En particulier, le remplacement du prodomaine humain avec celui de la drosophile, a donné lieu à une enzyme chimérique complètement mature et active. Suggérant un processus d'évolution du prodomaine vers un arrangement et des mesures d'activation plus complexe. Globalement, ces donnees supplémentaires augment les connaissances fondamentales cruciales pour le développement de nouveaux inhibiteurs de SKI-1/ SIP, tout en offrant de nouvelles variantes SKI-1 / SIP dans le but d'obtenir la structure cristallographique de l'enzyme.

High mobility group box 1 protein (HMGB1) : a pathogenic role in preeclampsia

Introduction : la Physiopathologie maternelle de la prééclampsie s'associe typiquement à un état inflammatoire systémique modéré. La protéine "high mobility group box 1" (HMGB-1) est une protéine nucléaire ubiquitaire. En cas de stress cellulaire, elle est relâchée dans le milieu extrace llua li re et peut ainsi exercer son activité pro-inflammatoire. En cas de prééclampsie, le liquide amniotique et le cytoplasme des cellules trophoblastiques contiennent des quantités anormalement élevées de HMGB-1, mais il n'est toujours pas universellement admis que ces concentrations se retrouvent dans le sang maternel. Méthodes : nous avons recruté 32 femmes au troisième trimestre de grossesse, 16 avec et 16 sans prééclampsie. Nous avons également observé 16 femmes non enceintes et en bonne santé, appariées selon l'âge avec les femmes enceintes. Nous avons mesuré la concentration sérique de HMGB-1 chez les femmes enceintes avant, puis 24-48 heures après leur accouchement, en utilisant un kit ELISA commercial. Le même dosage a été réalisé chez les femmes non enceintes, mais à une seule reprise, au moment de leur inclusion dans l'étude. Résultats : le jour de leur inclusion dans l'étude, la concentration médiane [intervalle interquartile] de HMGB-1 chez les femmes enceintes prééclamptiques était de 2.1 ng/ml [1.1 - 3.2], de 1.1 [1.0-1.2] chez les grossesses saines (p < 0.05 vs groupe prééclamptiques) et de 0.6 [0.5 - 0.8] chez les patientes non enceintes (p < 0.01 vs deux autres groupes). Pour les deux groupes de femmes enceintes, les concentrations mesurées en post-partum ne variaient pas significativement de celles mesurées avant l'accouchement. Conclusion : avec ou sans prééclampsie, le troisième triemstre de la grossesse est associé à une élévation des taux circulants de HMGB-1. Cette augmentation est exagérée en cas de prééclampsie. L'origine de ces concentrations élevées reste à déterminer, mais elle semble impliquer d'autres organes que le placenta lui-même.

Environmental control of the Pom1-dependent cell-size regulation pathway in fission yeast

Cells couple their growth and division rate in response to nutrient availability to maintain a constant size. This co-ordination happens either at the G1-S or the G2-M transition of the cell cycle. In the rod-shaped fission yeast, size regulation happens at the G2-M transition prior to mitotic commitment. Recent studies have focused on the role of the DYRK-family protein kinase Pom1, which forms gradients emanating from cell poles and inhibits the mitotic activator kinase Cdr2, present at the cell middle. Pom1 was proposed to inhibit Cdr2 until cells reached a critical size before division. However when and where Pom1 inhibits Cdr2 is not clear as medial Pom1 levels do not change during cell elongation. Here I show that Pom1 gradients are susceptible to environmental changes in glucose. Specifically, upon glucose limitation, Pom1 re-localizes from the poles to the cell sides where it delays mitosis through regulating Cdr2. This re-localization occurs due to microtubule de- stabilization and lateral catastrophes leading to transient deposition of the Pom1 gradient nucleator Tea4 along the cell cortex. As Tea4 localization to cell sides is sufficient to recruit Pom1, this explains the mechanism of Pom1 re-localization. Microtubule destabilization and consequently Tea4 and Pom1 spread depends on the activity of the cAMP-dependent Protein Kinase A (PKA/Pka1), as pka1 mutant cells have stable microtubules and retain polar Tea4 and Pom1 under limited glucose. PKA signaling negatively regulates the microtubule rescue factor CLASP/Cls1, thus reducing its ability to stabilize microtubules. Thus PKA signaling tunes CLASP activity to promote microtubule de-stabilization and Pom1 re-localization upon glucose limitation. I show that the side-localized Pom1 delays mitosis and balances the role of the mitosis promoting, mitogen-associated protein kinase (MAPK) protein Sty1. Thus Pom1 re-localization may serve to buffer cell size upon glucose limitation. -- Afin de maintenir une taille constante, les cellules régulent leur croissance ainsi que leur taux de division selon les nutriments disponibles dans le milieu. Dans la levure fissipare, cette régulation de la taille précède l'engagement mitotique et se fait à la transition entre les phases G2 à M du cycle cellulaire. Des études récentes se sont focalisées sur le rôle de la protéine Pom1, membre de la famille des DYRK kinase. Celle-ci forme un gradient provenant des pôles de la cellule et inhibe l'activateur mitotique Cdr2 présent au centre de la cellule. Le model propose que Pom1 inhibe Cdr2 jusqu'à atteindre une taille critique avant la division. Cependant quand et à quel endroit dans la cellulle Pom1 inhibe Cdr2 n'était pas clair car les niveaux médians de Pom1 ne changent pas au cours de la l'élongation des cellules. Dans cette étude, je montre que les gradients de Pom1 sont sensibles aux changements environnementaux du taux de glucose. Plus spécifiquement, en conditions limitantes de glucose, Pom1 se relocalise des pôles de la cellule pour se distribuer sur les côtés de celle-ci. Par conséquent, un délai d'entrée en mitose est observé dû à l'inhibition Cdr2 par Pom1. Cette délocalisation est due à la déstabilisation des microtubules qui va conduire à une déposition transitoire de Tea4, le nucléateur du gradient de Pom1, tout au long du cortex de la cellule. Comme la localisation de Tea4 sur les côtés de la cellule est suffisante pour recruter la protéine Pom1, ceci explique le mécanisme de relocalisation de celle-ci. La déstabilisation des microtubules et par conséquent la diffusion de Tea4 et Pom1 dépendent de l'activité de la protéine kinase A dépendante de l'AMP cyclique (PKA/Pka1). En absence de pka1, la stabilité des microtubules n'est pas affectée ce qui permet la rétention de Tea4 et Pom1 aux pôles de la cellule même en conditions limitantes de glucose. La signalisation via PKA régule négativement le facteur de sauvetage des microtubules CLASP/Cls1 et permet donc de réduire sa fonction de déstabilisation des microtubules. Ainsi la signalisation via PKA affine l'activité des CLASP pour promouvoir la déstabilisation des microtubules et la relocalisation de Pom1 en conditions limitantes de glucose. Je montre que la localisation sur les côtés retarde l'entrée en mitose et compense l'action de la protéine Sty1, connue pour être une MAPK qui induit l'entrée en mitose. Ainsi, la relocalisation de Pom1 pourrait servir à tamponner la taille de la cellule en condition limitantes de glucose. -- Various cell types in the environment such as bacterial, plant or animal cells have a distinct cellular size. Maintaining a constant cell size is important for fitness in unicellular organisms and for diverse functions in multicellular organisms. Cells regulate their size by coordinating their growth rate to their division rate. This coupling is important otherwise cells would get progressively smaller or larger after each successive cell cycle. In their natural environment cells may face fluctuations in the available nutrient supply. Thus cells have to coordinate their division rate to the variable growth rates shown under different nutrient conditions. During my PhD, I worked with a single-celled rod shaped yeast called the fission yeast. These cells are longer when the nutrient supply is abundant and shorter when the nutrient supply is scarce. A protein that senses changes in the external carbon source (glucose) is called Protein Kinase A (PKA). The rod shape of fission yeast cells is maintained thanks to a structural backbone called the cytoskeleton. One of the components of this backbone is called microtubules, which are small tube like structures spanning the length of the cell. They transport a protein called Tea4, which in turn is important for the proper localization of another protein Pom1 to the cell ends. Pom1 helps to maintain proper shape and size of these rod shaped yeast cells. My thesis work showed that upon reduction in the external nutrient (glucose) levels, microtubules become less stable and show an alteration in their organization. A significant percentage of the microtubules contact the side of the cell instead of touching only the cell tip. This leads to the spreading of the protein Pom1 away from the tips all around the cell periphery. This helps fission yeast cells to maintain the proper size required under these conditions of limited glucose supply. I further showed that the protein PKA regulates microtubule stability and organization and thus Pom1 spreading and maintenance of proper cell size. Thus my work led to the discovery of a novel pathway by which fission yeast cells maintain their size under limited supply of glucose. -- Divers types cellulaires dans l'environnement tels que les bactéries, les plantes ou les cellules animales ont une taille précise. Le maintien d'une taille cellulaire constante est importante pour le fitness des organismes unicellulaire ainsi que pour multiples fonctions dans les organismes multicellulaires. Les cellules régulent leur taille en coordonnant le taux de croissance avec le taux de division. Ce couplage est essentiel sinon les cellules deviendraient progressivement plus petites ou plus grandes après chaque cycle cellulaire. Dans leur habitat naturels les cellules peuvent faire face a des fluctuations dans le taux de nutriment disponible. Les cellules doivent donc coordonner leur taux de division aux taux variables de croissances perçus dans les différentes conditions nutritionnels. Pendant ma thèse, j'ai travaillée sur une levure unicellulaire, en forme de bâtonnet, nommé levure fissipare ou levure de fission. La taille de ces cellules est plus grande quand le taux de nutriments est grand et plus courte quand celui-ci est plus faible. Une protéine qui perçoit les changements dans le taux externe de la source de carbone (glucose) est nommée PKA pour protéine kinase A. La forme en bâtonnet de la cellule est due aux caractères structuraux du cytosquelette. Une composante importante de ce cytosquelette sont les microtubules, dont la structures ressemble à des petit tubes qui vont d'un bout à l'autre de la cellule. Ces microtubules transportent une protéine importante nommée Tea4 qui à leur tour importante pour la bonne localisation d'une autre protéine Pom1 aux extrémités de la cellule. La protéine Pom1 aide à maintenir la taille appropriée des levures fissipares. Mon travail de thèse a montré qu'en présence de taux faible de nutriments (glucose) les microtubules deviennent de moins en moins stables et montrent une désorganisation globale. Un pourcentage significatif des microtubules touche les côtés de la cellule aux lieu d'atteindre uniquement les extrémités. Ceci a pour conséquence une diffusion de Pom1 tout au long du cortex de la cellule. Ceci aide les levures fissipares à maintenir la taille appropriée pendant ce stress nutritionnel. De plus, je montre que PKA régule la stabilité et l'organisation des microtubules et par conséquent la diffusion de Pom1 et le maintien d'une taille constante. En conclusion, mon travail a conduit à la découverte d'un nouveau mécanisme par lequel la levure fissipare maintient sa taille dans des conditions limitantes en glucose.

Creatine deficiency syndomes : a new model of partial GAMT deficiency affecting brain cell development

Les syndromes de déficiences cérébrales en créatine (CCDS) sont dus à des mutations dans les gènes GATM et G AMT (codant pour les enzymes AGAT et G AMT de la voie de synthèse de créatine) ainsi que SLC6A8 (transporteur de créatine), et génèrent une absence ou une très forte baisse de créatine (Cr) dans le cerveau, mesurée par spectroscopic de résonance magnétique. Les patients CCDS développent des handicaps neurologiques sévères. Les patients AGAT et GAMT peuvent être traités avec des doses importantes de Cr, mais gardent dans la plupart des cas des séquelles neurologiques irréversibles. Aucun traitement efficace n'existe à ce jour pour la déficience en SLC6A8. Bien que de nombreux modèles aient été développés pour comprendre la Cr cérébrale en conditions physiologiques, les pathomécanismes des CCDS ne sont pas encore compris. Des souris transgéniques pour les gènes Gatm, Gamt et Slc6a8 ont été générées, mais elles ne miment que partiellement la pathologie humaine. Parmi les CCDS, la déficience en GAMT est la plus sévère, en raison de l'accumulation cérébrale de l'intermédiaire guanidinoacétate (GAA). Alors que la toxicité cérébrale du GAA a été étudiée par exposition directe au GAA d'animaux adultes sains, les mécanismes de la toxicité du GAA en condition de déficience en GAMT dans le cerveau en développement sont encore inconnus. Le but de ce projet était donc de développer un modèle de déficience en GAMT dans des cultures 3D primaires de cellules nerveuses de rat en agrégats par knock-down du gène GAMT, en utilisant un virus adéno-associé (AAV) induisant le mécanisme d'interférence à l'ARN (RNAi). Le virus scAAV2, à la multiplicité d'infection de 1000, s'est révélé le plus efficace pour transduire tous les types de cellules nerveuses des cultures (neurones, astrocytes, oligodendrocytes), et générer un knock-down maximal de la protéine GAMT de 85% (jour in vitro 18). Cette déficience partielle en GAMT s'est révélée insuffisante pour générer une déficience en Cr, mais a causé l'accumulation attendue de GAA, à des doses comparables aux niveaux observés dans le LCR des patients GAMT. Le GAA a induit une croissance axonale anarchique accompagnée d'une baisse de l'apoptose naturelle, suivis par une induction tardive de mort cellulaire non-apoptotique. Le co-traitement par la Cr a prévenu tous les effets toxiques du GAA. Ce travail montre que l'accumulation de GAA en absence de déficience en Cr est suffisante pour affecter le développement du tissu nerveux, et suggère que des formes de déficiences en GAMT supplémentaires, ne présentant pas de déficiences en Cr, pourraient être découvertes par mesure du GAA, en particulier à travers les programmes récemment proposés de dépistage néonatal de la déficience en GAMT. -- Cerebral creatine deficiency syndromes (CCDS) are caused by mutations in the genes GATM and GAMT (respectively coding for the two enzymes of the creatine synthetic pathway, AGAT and GAMT) as well as SLC6A8 (creatine transporter), and lead to the absence or very strong decrease of creatine (Cr) in the brain when measured by magnetic resonance spectroscopy. Affected patients show severe neurological impairments. While AGAT and GAMT deficient patients can be treated with high dosages of Cr, most remain with irreversible brain sequelae. No treatment has been successful so far for SLC6A8 deficiency. While many models have helped understanding the cerebral Cr pathways in physiological conditions, the pathomechanisms underlying CCDS are yet to be elucidated. Transgenic mice carrying mutations in the Gatm, Gamt and Slc6a8 genes have been developed, but only partially mimic the human pathology. Among CCDS, GAMT deficiency is the most severe, due to the CNS accumulation of the guanidinoacetate (GAA) intermediate. While brain toxicity of GAA has been explored through direct GAA exposure of adult healthy animals, the mechanisms underlying GAA toxicity in GAMT deficiency conditions on the developing CNS are yet unknown. The aim of this project was thus to develop and characterize a GAMT deficiency model in developing brain cells by gene knockdown, by adeno-associated virus (AAV)-driven RNA interference (RNAi) in rat 3D organotypic primary brain cell cultures in aggregates. scAAV2 with a multiplicity of infection of 1000 was shown as the most efficient serotype, was able to transduce all brain cell types (neurons, astrocytes, oligodendrocytes) and to induce a maximal GAMT protein knockdown of 85% (day in vitro 18). Metabolite analysis showed that partial GAMT knockdown was insufficient to induce Cr deficiency but generated the awaited GAA accumulation at concentrations comparable to the levels observed in cerebrospinal fluid of GAMT-deficient patients. Accumulated GAA induced axonal hypersprouting paralleled with inhibition of natural apoptosis, followed by a later induction in non-apoptotic cell death. Cr supplementation led to the prevention of all GAA-induced toxic effects. This work shows that GAA accumulation without Cr deficiency is sufficient to affect CNS development, and suggests that additional partial GAMT deficiencies, which may not show the classical brain Cr deficiency, may be discovered through GAA measurement including by recently proposed neonatal screening programs for GAMT deficiency.

Evaluation of molecular, cellular and behavioral consequences of serotonin 1A receptor deletion

In 1998, three different research groups simultaneously reported increased anxiety-related behavior in tests of conflict in their serotonin 1a (5-HT1a) receptor knockout (KO) line with male mice being more severely affected by 5-HT1a receptor deletion than female KO. Similarly, in the hippocampus, we observed increased dendritic complexity in the stratum radiatum of CA1 pyramidal neurons in male but not in female 5-HT1a receptor KO mice. These observations prompted us to investigate gender- dependent differences of 5-HT1a receptor deletion in hippocampal-related behavioral tasks. Testing our mice in anxiety-related paradigms, we reproduced the original studies showing increased anxiety- related behavior in male 5-HT1a receptor KO mice when compared to male WT mice, but no difference between female 5-HT1a receptor KO and WT mice. Similarly, male 5-HT1a receptor KO mice were impaired in association of aversive stimuli fear conditioning paradigms. We argue that increased dendritic complexity and increased synaptic strength of CA3-CA1 synapses in the stratum radiatum impaired proper signal propagation attributed to overactivation of CA1 pyramidal neurons leading to impaired fear memory of male 5-HT1a receptor KO mice. Similar mechanisms in the ventral hippocampus are likely to have contributed to gender-dependent differences in anxiety-related behavior in our and the original studies from 1998. In this study, we started to shed light on the 5-HT1a receptor downstream signaling pathways involved in dendritogenesis of pyramidal neurons during early postnatal development. We could show that NR2B-containing NMDA receptor during development acts downstream of 5-HT1a receptor and is responsible for increased amount of branching in male 5-HT1a receptor KO mice. Conversely, protein and NR2B mRNA expression was increased in 5-HT1a receptor KO mice at P15. Although the exact signaling cascade of 5-HT1a receptor regulating NR2B-containing NMDA receptor has not been determined, CaMKII is a potential downstream effector to influence transportation and removal of NR2B-containing NMDA receptors to and from the synapse. In contrast, Erk1/2 likely acts downstream of NR2B-containing NMDA receptors and was shown to be sufficient to regulate dendritic branching. Moreover, increased NR2B-containing NMDA receptor mediated cell death via excitotoxicity during development and is likely to be involved in reduced survival of adult born neurons in the hippocampus of 5-HT1a receptor KO male. The convergence of 5-HT1a receptor signaling onto NR2B-containing NMDA receptor signaling enables estrogen to interfere with its downstream pathway via G-protein coupled estrogen receptor 1 activation resulting in normalization of branching and behavior in female 5-HT1a receptor mice. In conclusion, our data strongly suggests a hormone- regulated mechanism that by converging on NR2B-containing NMDA receptor signaling is able to normalize morphology of pyramidal neurons and behavior of female 5-HT1a receptor KO mice. Our findings provide a possible explanation for gender-dependent differences in the occurrence of mental disorders with 5-HT1a receptor abnormalities as a strong predisposing factor. -- En 1998, trois équipes de recherche ont décrit un comportement de type anxieux dans des tests de conflit pour leur souris transgéniques avec une délétion du gène pour le récepteur 5-HT1a de la sérotonine. De plus, les trois groupes rapportent un phénotype plus sévère pour le comportement anxieux chez les souris transgéniques mâles que femelles. Dans l'hippocampe, la région avec la densité de récepteur 5-HT1a la plus élevée dans le télencéphale, nous avons observé dans le stratum radiatum une complexité accrue des arborisations dendritiques des neurones pyramidaux du secteur CA1 chez les souris transgénique mâles mais pas chez les femelles. Cette observation nous a encouragés à initier cette étude sur les différences en fonction du genre utilisant les tests comportementaux en rapport avec les fonctions de l'hippocampe chez les souris déficientes pour le récepteur 5-HT1a.Testant nos souris avec des paradigmes associés à l'anxiété, nous avons reproduit les données originales montrant que les souris transgéniques mâles ont un phénotype plus sévère que les souris mâles sauvages, mais qu'aucune différence n'est observée entre les femelles sauvages et transgéniques. De même, les souris mâles déficientes pour le récepteur 5-HT1a sont handicapées dans les tests de conditionnement au stress avec des stimuli aversifs. Nous faisons l'hypothèse que l'augmentation de la complexité de l'arborisation dendritique et l'augmentation de la force du signal synaptique entres les régions CA3 et CA1 de l'hippocampe dans le stratum radiatum perturbe la propagation du signal nerveux qui conduit à l'hyperactivation des neurones du secteur CA1. Ceci conduit à une mémoire de stress altérée chez les souris mâles déficientes pour le récepteur 5-HT1a. Un mécanisme similaire dans l'hippocampe ventral contribue probablement aux différences en fonction du genre dans les tests pour le comportement de type anxieux qui ont été rapportés dans les études originales de 1998. Les mesures de protéine et de mRNA ont mis en évidence une augmentation de l'expression du récepteur NMDA contenant la sous- unité NR2B dans les souris déficientes pour le récepteur 5-HT1a à P15. Dans les cultures organotypiques d'hippocampe, nous avons commencé à disséquer les messagers secondaires à l'activation du récepteur 5-HT1a qui sont impliqués dans la régulation de la croissance dendritique des neurones pyramidaux pendant la période postnatale précoce. Nous avons démontré que les récepteurs NR2B sont en aval de l'activation du récepteur 5-HT1a et qu'ils sont impliqués dans l'accroissement du nombre de dendrites chez la souris mâle déficiente pour le récepteur 5-HT1a. Bien que la cascade de signalisation du récepteur 5-HT1a pour réguler les récepteurs NMDA contenant le NR2B ne soit pas établie, CaMKII est identifié comme un effecteur potentiel pour altérer le transport du récepteur NMDA à la synapse. D'autre part, Erk1/2 est probablement un messager en aval du NR2B du récepteur NMDA, et a été documenté comme suffisant pour réguler l'arborisation dendritique. L'augmentation de NR2B à la synapse des souris déficientes pour le récepteur 5-HT1a peut conduire à une augmentation de l'excitotoxicité dans les cellules. Nous avons observé une augmentation chez la souris déficiente pour le récepteur 5-HT1a de la mort cellulaire dans des tranches d'hippocampe stimulées, ce qui peut être en relation avec la réduction de la survie des neurones générés dans l'hippocampe de la souris mâle transgénique adulte par rapport à la souris mâle sauvage. De plus, la convergence de la signalisation du récepteur 5-HT1a sur la signalisation de la sous-unité NR2B du récepteur NMDA permet à l'oestrogène d'interférer avec sa voie de signalisation du récepteur de l'oestrogène couplé à une protéine G (GPER-1), ceci permettant à l'oestrogène de réduire la taille de l'arborisation des neurones pyramidaux de CA1 chez la femelle de la souris déficiente pour le récepteur 5-HT1a. En conclusion, nos observations suggèrent fortement qu'un mécanisme hormonal convergeant sur la voie de signalisation de la sous-unité NR2B du récepteur NMDA permet la normalisation de l'exubérance des dendrites des neurones CA1 de l'hippocampe et du comportement des souris femelles déficientes pour le récepteur 5-HT1a. Ceci donne une explication possible pour la différence en fonction du genre dans l'apparition de troubles mentaux avec les variations du récepteur 5-HT1a comme facteur de prédisposition important.

The role of the microRNAs in the age-associated oancreatic β-cell dysfunction

Le corps humain emploie le glucose comme source principale d'énergie. L'insuline, sécrétée par les cellules ß-pancreatiques situées dans les îlots de Langerhans, est l'hormone principale assurant un maintien constant du taux de glucose sanguin (glycémie). Les prédispositions génétiques, le manque d'activité physique et un régime déséquilibré peuvent entraîner une perte de sensibilité à l'insuline et des taux de glucose dans le sang élevé (hyperglycémie), une condition nommée diabète de type 2. Cette maladie est initiée par une sensibilité diminuée à l'insuline dans les tissus périphériques, entraînant une demande accrue en insuline. Cette pression continue finie par épuiser les cellules ß-pancreatiques, qui sécrètent alors des niveaux d'insuline insuffisant en trainant l'apparition du diabète. Le vieillissement est un facteur de risque important pour les maladies métaboliques dont le diabète de type 2 faits partis. En effet la majeure partie des diabétiques de type 2 ont plus de 45 ans. Il est connu que le vieillissement entraine une perte de sensibilité à l'insuline, une sécrétion altérée d'insuline, une baisse de réplication et une plus grande mort des ß-cellules pancréatiques. Le but de ma thèse était de mieux comprendre les mécanismes contribuante au dysfonctionnement des cellules ß- pancréatiques lors du vieillissement. Les travaux du « Human Genome Project » ont révélés que seulement 2% de notre génome code pour des protéines. Le reste non-codant fut alors désigné sous le nom de « ADN déchets ». Cependant, l'étude approfondie de cet ADN non-codant ces dernières deux décennies a démontré qu'une grande partie code pour des «MicroARNs », des ARNs courts (20-22 nucleotides) découverts en 1997 chez le vers C.elegans. Depuis lors ces molécules ont été intensivement étudiées, révélant un rôle crucial de ces molécules dans la fonction et la survie des cellules en conditions normales et pathologiques. Le but de cette thèse était d'étudier le rôle des microARNs dans le dysfonctionnement des cellules ß lors du vieillissement. Nos données suggèrent qu'ils peuvent jouer un rôle tantôt salutaire, tantôt nocif sur les cellules ß. Par exemple, certains microARNs réduisent la capacité des cellules ß à se multiplier ou réduisent leur survie, alors que d'autres protègent ces cellules contre la mort. Pour conclure, nous avons démontré les microARNs jouent un rôle important dans le dysfonctionnement des cellules ß lors du vieillissement. Ces nouvelles découvertes préparent le terrain pour la conception de futures stratégies visant à améliorer la résistance des cellules ß pancréatiques afin de trouver de nouveaux traitements du diabète de type 2. -- Le diabète de type 2 est une maladie métabolique due à la résistance à l'action de l'insuline des tissus cibles combinée à l'incapacité des cellules ß pancréatiques à sécréter les niveaux adéquats d'insuline. Le vieillissement est associé à un déclin global des fonctions de l'organisme incluant une diminution de la fonction et du renouvellement des cellules ß pancréatiques. Il constitue ainsi un risque majeur de développement des maladies métaboliques dont le diabète de type 2. Le but de cette thèse était d'étudier le rôle des microARNs (une classe d'ARN non- codants) dans le dysfonctionnement lié au vieillissement des cellules ß. L'analyse par microarray des niveaux d'expression des microARN dans les îlots pancréatiques de rats Wistar mâles âgés de 3 et 12 mois nous a permis d'identifier de nombreux changements d'expression de microARNs associés au vieillissement. Afin d'étudier les liens entre ces modifications et le déclin des cellules ß, les changements observés lors du vieillissement ont été reproduits spécifiquement dans une lignée cellulaire, dans des cellules ß primaires de jeune rats ou de donneurs humains sains. La diminution du miR-181a réduit la prolifération des cellules ß, tandis que la diminution du miR-130b ou l'augmentation du miR-383 protège contre l'apoptose induite par les cytokines. L'augmentation du miR-34a induit l'apoptose et inhibe la prolifération des cellules ß en réponse aux hormones Exendin-4 et prolactine et au facteur de croissance PDGF-AA. Cette perte de capacité réplicative est similaire à celle observée dans des cellules ß de rats âgés de 12 mois. Dans la littérature, la perte du récepteur au PDGF-r-a est associée à la diminution de la capacité proliférative des cellules ß observée lors du vieillissement. Nous avons pu démontrer que PDGF-r-a est une cible directe de miR- 34a, suggérant que l'effet néfaste de miR-34a sur la prolifération des cellules ß est, du moins en partie, lié à l'inhibition de l'expression de PDGF-r-a. L'expression de ce miR est aussi plus élevée dans le foie et le cerveau des animaux de 1 an et augmente avec l'âge dans les ilôts de donneurs non-diabétiques. Ces résultats suggèrent que miR-34a pourrait être non seulement impliqué dans l'affaiblissement des fonctions pancréatiques associé à l'âge, mais également jouer un rôle dans les tissus cibles de l'insuline et ainsi contribuer au vieillissement de l'organisme en général. Pour conclure, les travaux obtenus durant cette thèse suggèrent que des microARNs sont impliqués dans le dysfonctionnement des cellules ß pancréatiques durant le vieillissement. -- Type 2 diabetes is a metabolic disease characterized by impaired glucose tolerance, of the insulin sensitive tissues and insufficient insulin secretion from the pancreatic ß-cells to sustain the organism demand. Aging is a risk factor for the majority of the metabolic diseases including type 2 diabetes. With aging is observed a decline in all body function, due to decrease both in cell efficiency and renewal. The aim of this thesis was to investigate the potential role of microRNAs (short non- coding RNAs) in the pancreatic ß-cell dysfunction associated with aging. Microarray analysis of microRNA expression profile in pancreatic islets from 3 and 12 month old Wistar male rats revealed important changes in several microRNAs. To further study the link between those alterations and the decline of ß-cells, the changes observed in old rats were mimicked in immortalized ß-cell lines, primary young rat and human islets. Downregulation of miR-181a inhibited pancreatic ß-cell proliferation in response to proliferative drugs, whereas downregulation of miR-130b and upregulation of miR-383 protected pancreatic ß-cells from cytokine stimulated apoptosis. Interestingly, miR-34a augmented pancreatic ß-cell apoptosis and inhibited ß-cell proliferation in response to the proliferative chemicals Exendin-4, prolactin and PDGF-AA. This loss of replicative capacity is reminiscent of what we observed in pancreatic ß-cells isolated from 12 month old rats. We further observed a correlation between the inhibitory effect of miR-34a on pancreatic ß-cell proliferation and its direct interfering effect of this microRNA on PDGF-r-a, which was previously reported to be involved in the age-associated decline of pancreatic ß-cell proliferation. Interestingly miR-34a was upregulated in the liver and brain of 1 year old animals and positively correlated with age in pancreatic islets of normoglycemic human donors. These results suggest that miR-34a might be not only involved in the age-associated impairment of the pancreatic ß-cell functions, but also play a role in insulin target tissues and contribute to the aging phenotype on the organism level. To conclude, we have demonstrated that microRNAs are indeed involved in the age-associated pancreatic ß-cell dysfunction and they can play both beneficial and harmful roles in the context of pancreatic ß-cell aging.

Influence of PTPN2 and pre-existing immunity on the generation of effector and memory CD8 T cells

Notre système immunitaire joue un rôle important pour la protection envers les maladies infectieuses. Au cours d'une réponse à une infection primaire, des cellules B et des cellules T spécifiques, dirigées contre le pathogène en question, sont générées et certaines d'entre elles deviennent des cellules dites mémoires. Leur fonction est de nous protéger contre une nouvelle infection avec le même pathogène, une infection secondaire. Dans certaines situations, comme c'est par exemple le cas avec la grippe, les pathogènes ne sont pas toujours complètement identiques et les cellules mémoires ne sont pas à même d'assurer leur rôle protecteur et d'empêcher une réinfection. Pourtant, on ne sait à l'heure actuelle que très peu comment une immunité acquise, mais non protectrice, influence le développement d'une réponse immunitaire ultérieure. Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié comment les cellules T mémoires cytotoxiques altèrent la réponse de cellules T cytotoxiques nouvellement induites. Au cours d'une réaction immunitaire dirigée contre une infection primaire, un vaste répertoire de lymphocytes T est créé, constitué de cellules T possédant divers degrés d'affinité pour le pathogène. Lors d'une infection secondaire, seules les cellules T ayant une forte affinité pour le pathogène participent à la réponse. Nous avons pu démontrer que ce phénomène de restriction du répertoire des cellules T est principalement causé par les cellules T mémoires qui sont à même de reconnaître un antigène pathogénique présent dans les deux infections. Dans un deuxième projet, nous avons étudié comment l'absence de PTPN2 influence la réponse des cellules T. Chez l'homme, une mutation dans le gène de PTPN2 est associée à des maladies auto-immunes et résulte en une activité réduite de cette phosphatase dans les lymphocytes T. Nous avons montré que la baisse d'activité de la phosphatase PTNP2 conduit à une meilleure expansion des cellules T ayant une qualité comparable à des cellules T auto-antigène spécifiques. De plus, nous avons observé que la survie de ces cellules T effectues ayant une phosphatase diminuée est nettement améliorée. Cela peut conduire à une réponse immunitaire plus efficace ou, éventuellement, à une pathologie auto-immune plus grave. En outre, nos résultats montrent qu'en manipulant l'activité de cette phosphatase, il est possible d'augmenter l'efficacité du transfert des cellules T dans un hôte receveur. Un tel transfert de cellules T est pratiqué chez des patients atteints de tumeurs. Nos travaux suggèrent que la manipulation de la phosphatase PTPN2 pourrait donc représenter une approche thérapeutique novatrice et prometteuse. -- Notre système immunitaire joue un rôle important pour la protection contre les maladies. Les cellules T CD8+ ont une importance primordiale pour le contrôle d'infections primaires causées par des virus ou bactéries, mais également contre certaines tumeurs. Par conséquent, mieux comprendre les exigences nécessaires à l'induction de bonnes réponses des cellules T CD8 pourrait nous permettre de construire des vaccins contre les pathogènes contre lesquels nous n'avons pour l'instant pas de vaccins mais aussi d'améliorer les réactions immunitaires dirigées anti-tumorales. Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié l'influence qu'une immunité préexistante a sur la réponse des cellules T CD8. Nous sommes souvent exposés à des pathogènes qui sont similaires mais pas identiques à ceux que nous avons rencontrés auparavant. De telles infections hétérologues ne sont pas l'objet de beaucoup d'études et certains exemples indiquent même qu'une immunité préexistante partielle peut mener à une aggravation de la maladie. Nous avons étudié le répertoire des lymphocytes T CD8 qui sont générés lors d'une rencontre avec un nouvel antigène, et ce en comparant infection primaire et secondaire. En utilisant le modèle expérimental d'infections à Listeria monocytogenes, nous avons pu montrer que lors d'une infection primaire, un répertoire diversifié comprenant des cellules T CD8 de forte et faible affinité est constitué. Au contraire, dans le cas d'une infection secondaire, le répertoire des cellules T est fortement limité et seulement les lymphocytes T de forte affinité sont impliqués dans la réponse immunitaire. Nous avons pu démontrer que ces Rangements sont provoqués par des cellules T CD8 mémoires capables de reconnaître un antigène présent dans les deux infections. Cette augmentation du seuil d'activation des cellules effectrices est majoritairement causée par les lymphocytes T CD8 mémoires non transférables. Ces observations indiquent que les vaccins visant à induire des cellules T anti-tumorales de faible affinité seraient inefficaces si le vaccin contient des épitopes contre lesquels il existe une mémoire immunologique. Les réponses immunitaires conduites par les cellules T contre les antigènes tumoraux dépendent des cellules T CD8 de faible réactivité contre les antigènes tumoraux puisque les cellules à forte réactivité sont éliminées par les mécanismes de tolérance. Nous basant sur l'existence dans la littérature de preuves indiquant que PTPN2 influence la réponse des cellules T de faible affinité, nous nous sommes intéressés à comprendre comment PTPN2 impacte les réponses des cellules T CD8 en général. Nous avons remarqué que des cellules T CD8 déficientes en PTPN2 exhibent une meilleure capacité à proliférer suite à une faible ou courte stimulation du récepteur des lymphocytes T. La phase effectrice est prolongée et la contraction retardée résultant ainsi à globalement plus de cellules effectrices. Ce phénomène est également accompagné d'une meilleure survie des cellules effectrices de différentiation terminale. Une fois transférées dans un nouvel hôte receveur, les cellules effectrices terminales KLRG1+CD127- déficientes en phosphatase PTPN2 peuvent survivre et se transformer en cellules mémoires CD127+ fonctionnelles. De façon inattendue, nous avons découvert que l'élimination de PTPN2 améliore l'efficacité du transfert et la formation des cellules mémoires ainsi que leur capacité protectrice. Manipuler l'activité de cette phosphatase apparaît donc comme une approche intéressante et prometteuse pour la thérapie cellulaire par transfert adoptif de lymphocytes T. Nos observations montrent que la manipulation d'un facteur intrinsèque, l'absence de PTPN2, peut, dans certaines circonstances, améliorer la réponse des cellules T. Une meilleure connaissance des mécanismes contrôlant la réponse des lymphocytes T CD8 pourrait donc permettre la manipulation de ces derniers et conduire à des réponses immunitaires plus vigoureuses. Si ces réponses sont déclenchées par l'utilisation de vaccins, il est nécessaire de considérer l'historique d'une exposition préalable à des agents pathogènes ou à des vaccins puisque celle-ci peut, comme nous l'avons démontré, influencer le répertoire des cellules T recrutées dans la réponse immunitaire et, par conséquent, modifier l'aptitude de notre système immunitaire à faire face à une infection. -- Our immune system plays an important role in the protection from disease. CD8 T cells are critical for the control of primary infections with most viruses and certain bacteria as well as against some tumors. Therefore, better knowledge of CD8 T cell responses might enable us to generate vaccines against pathogens for which currently no vaccines are available or to improve anti-tumor immune responses. In the first part of this thesis we addressed the issue how previously acquired immunity impacts on the response of CD8 T cells. We are often exposed to pathogens that are related but not identical to the previously encountered ones. Such heterologous infections are not well studied and there are some indications that partial pre-existing immunity may in some cases even lead to an enhancement of disease. We specifically studied the T cell repertoire of CD8 T cells that are responding to a newly encountered antigen in secondary compared to primary infections. Using the experimental model of Listeria monocytogenes infections, we showed that in primary infections a wide repertoire including high and low affinity CD8 T cells is recruited into the immune response. In contrast to this, in secondary infections, the T cell repertoire is severely restricted and only T cells of high affinity are responding. We were able to pinpoint this difference to the presence of memory CD8 T cells that recognize an antigen that is shared between the two subsequent infections. This increase in the activation threshold was most effectively mediated via non-transferable memory CD8 T cells. This would argue that vaccines targeting low affinity tumor-specific T cells would fail if the vaccine contains previously encountered CD8 T cell epitopes. T cell mediated immune responses to tumor antigen rely often on T cells which weakly react to tumor antigen as high affinity T cells are eliminated by tolerance mechanisms. Following indication in the literature that PTPN2 impacts on the response of such weakly antigen-reactive T cells, we investigated how PTPN2 impacts in general the response of CD8 T cells. We observed that CD8 T cells lacking PTPN2 show an enhanced expansion following weak or short-term T cell receptor stimulation. The effector phase is prolonged and contraction delayed thus resulting in overall more effector cells. This is accompanied by a better survival of terminal effector cells. When transferred into new recipients, KLRG1+CD127- terminal effector cells lacking PTPN2 can survive and convert into CD127+ functional memory cells. Surprisingly, we discovered that elimination of PTPN2 enhances the transfer efficacy and formation of memory cells as well as the protective capacity. Targeting PTPN2 might thus be a promising approach for adoptive T cell therapy. Our observations show how the manipulation of an intrinsic factor, the absence of PTPN2, can enhance T cell responses under certain circumstances. A better understanding of underlying mechanisms for the control of CDS T cell responses might enable the manipulation of these and allow for more powerful responses. If these responses are induced through vaccines it is imperative that the previous history of exposure to pathogens or vaccines is considered as it can, as we have shown in this thesis, influence the recruited T cell repertoire and thus possibly the ability to handle the infection.