Decreased acute vascular remodeling, anaphylaxis and delayed type hypersensitivity in PPARβ/δ-deficient mice

Endothelial cells form a semi-permeable barrier that participates in the exchange of plasma fluids, proteins and cells, and helps to maintain the physiological functions of organs as well as circulatory homeostasis. Vascular permeability and vasodilatation are increased during acute and chronic inflammation, cancer and wound healing. This is mediated by exposure to certain vascular permeability increasing factors, such as vascular endothelial growth factor (VEGF). The peroxisome proliferator-activated receptors (PPAR) belong to the nuclear hormone receptor (NHRs) family of ligand-activated transcription factors. Three isotypes, PPARa, PPARp/5 and PPARy have been identified. They are all expressed in endothelial cells (ECs). Recent data have demonstrated their involvement in important mechanisms for vasculogenesis and angiogenesis, such as cell proliferation/differentiation, directional sensing/migration, and survival. PPARs were reported to modulate the expression of pro-angiogenic soluble factors, such as VEGF-A and may also participate in the regulation of expression of VEGF receptors. The aim of the present work was to elucidate the role of PPARp/δ in endothelial cell functions important for angiogenesis as well as in vascular permeability and vasodilatation. Using organ culture models of mouse aorta expiants, cultures of human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and genetically modified mouse models, we studied the consequences of loss and gain of PPARp/5 activity on endothelial cell functions. In the first part of this study, we show that the activation of PPARp/δ promotes EC outgrowth in murine aorta expiants. In vivo we observed that dermal vessel acute permeability in response to VEGF-A stimulation is strongly impaired in PPARfi/δ -I- animals. Additionally, observation of the dermal vessel morphology showed a clear enlargement of the wild-type dermal vessels upon VEGF-A injection, whereas vessels of PPARp/5 -/- animals showed almost no enlargement. The impaired response to VEGF stimulation in the knock-out animals was not due to structural or morphological abnormalities. Based on this data, we suggest that PPARp/5 may act on intracellular signaling cascades in ECs, downstream of the VEGF-A receptor. In the second part of this study, we address the relevance of PPARβ/δ vascular functions in pathophysiological inflammatory conditions, such as delayed- type hypersensitivity (DTH) reaction and anaphylaxis in mice. The DTH reaction is a cell-mediated immune reaction to protein, bacterial and viral antigens, whereas anaphylaxis is the most severe form of allergic reaction. In these in vivo models, we demonstrated that the absence of PPARβ/δ in ECs prevents the formation of severe edema in the DTH reaction, and that Ρ PARβ/δ accelerates recovery following systemic anaphylaxis, at least partially through the control of vascular permeability. Our data not only describe a novel function of PPARβ/δ in vessel permeability and vasodilatation, but also open new routes of research for the development of vessel permeability/vasodilatation regulating agents. - Les cellules endothéliales qui bordent la face interne des vaisseaux sanguins forment l'endothélium, une barrière semi-perméable qui régule les échanges de fluides, de protéines et de cellules immunes entre la circulation et les organes. L'endothélium participe également au maintien de la fonction des organes et de l'homéostasie circulatoire. La perméabilité vasculaire augmente dans des situations inflammatoires aigties ou chroniques, dans les tumeurs, et pendant la réparation de blessures. Cette augmentation de perméabilité est due à la production de facteurs sécrétés, tels que le Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF-A), la thrombine ou I'histamine. Lès récepteurs nucléaires Peroxisome Proliferator-Activated Receptors (PPAR) sont des facteurs de transcription mis en activité par des ligands. Trois isotypes de PPARs, PPARa, ΡΡΑΡβ/δ and PPARy ont été caractérisés. Ils sont exprimés dans les cellules endothéliales, et des travaux récents ont montré qu'ils régulent des comportements cellulaires importants pour la vasculogenèse et l'angiogenèse, tels que la prolifération, la différenciation, la migration, et la survie des cellules. Ils régulent également la production de VEGF-A par divers types cellulaires. Le but de ce travail était d'élucider le rôle de PPARβ/δ dans la régulation de la perméabilité vasculaire, plus particulièrement dans les cellules endothéliales. Grâce à des cultures d'expiants d'aortes de souris, à la culture d'une lignée endothéliale humaine (HUVECs) et de souris génétiquement modifiées, nous avons étudié le rôle de PPARβ/δ dans les cellules endothéliales, dans des situations gain et perte de fonction du récepteur. Dans la première partie de ce travail, nous avons montré les propriétés pro-angiogéniques de PPARβ/δ dans des explants d'aortes. In vivo, nous avons observé l'absence d'hyperperméabilité aiguë induite par le VEGF-A, la thrombine et I'histamine chez les souris PPARβ/δ -/-. De plus, l'analyse morphologique des vaisseaux dans le derme des souris après stimulation par VEGF- A a confirmé l'absence de réponse à la stimulation. Ces analyses morphologiques nous ont également permis de montrer que l'absence de réponse aiguë n'était pas due à un défaut de structure des vaisseaux dermiques chez les souris PPARp/δ -/-. Sur la base de ces résultats, nous proposons que PPARp/δ régule des voies de signalisation intracellulaires dans les cellules endothéliales, voie de signalisation impliquées dans la régulation de la perméabilité vasculaire: Dans la seconde partie du travail, nous avons étudié l'importance de la régulation de la perméabilité vasculaire par PPARβ/δ dans des situations pathophysiologiques impliquant une hyperperméabilité aiguë des vaisseaux : une réaction d'hypersensibilité cutanée retardée d'une part (delayed-type hypersensitivity, DTH), et un choc anaphylactique d'autre part. Dans ces deux modèles induits expérimentalement chez la souris, l'absence de PPARβ/δ prévient en partie la formation de l'oedème inflammatoire local (DTH), et accélère la récupération (anaphylaxie), au moins partiellement en réglant la perméabilité vasculaire. Ces résultats ouvrent un nouveau champs d'étude quant au rôle de PPARβ/δ dans les vaisseaux et à d'éventuelles applications thérapeutiques dans des pathologies inflammatoires.

A model for physical activity, bahaviour and energy expenditure assessment in real-life condition

RésuméL'origine de l'obésité, qui atteint des proportions épidémiques, est complexe. Elle est liée au mode de vie et au comportement des individus par rapport à l'activité physique, expression des choix individuels et de l'interaction avec l'environnement. Les mesures du comportement au niveau de l'activité physique des individus face à leur environnement, la répartition des types d'activité physique, la durée, la fréquence, l'intensité, et la dépense énergétique sont d'une grande importance. Aujourd'hui, il y a un manque de méthodes permettant une évaluation précise et objective de l'activité physique et du comportement des individus. Afin de compléter les recherches relatives à l'activité physique, à l'obésité et à certaines maladies, le premier objectif du travail de thèse était de développer un modèle pour l'identification objective des types d'activité physique dans des conditions de vie réelles et l'estimation de la dépense énergétique basée sur une combinaison de 2 accéléromètres et 1 GPS. Le modèle prend en compte qu'une activité donnée peut être accomplie de différentes façons dans la vie réelle. Les activités quotidiennes ont pu être classées en 8 catégories, de sédentaires à actives, avec une précision de 1 min. La dépense énergétique a pu peut être prédite avec précision par le modèle. Après validation du modèle, le comportement des individus de l'activité physique a été évalué dans une seconde étude. Nous avons émis l'hypothèse que, dans un environnement caractérisé par les pentes, les personnes obèses sont tentées d'éviter les pentes raides et de diminuer la vitesse de marche au cours d'une activité physique spontanée, ainsi que pendant les exercices prescrits et structurés. Nous avons donc caractérisé, par moyen du modèle développé, le comportement des individus obèses dans un environnement vallonné urbain. La façon dont on aborde un environnement valloné dans les déplacements quotidiens devrait également être considérée lors de la prescription de marche supplémentaire afin d'augmenter l'activité physique.SummaryOrigin of obesity, that reached epidemic proportion, is complex and may be linked to different lifestyle and physical activity behaviour. Measurement of physical activity behaviour of individuals towards their environment, the distribution of physical activity in terms of physical activity type, volume, duration, frequency, intensity, and energy expenditure is of great importance. Nowadays, there is a lack of methods for accurate and objective assessment of physical activity and of individuals' physical activity behaviour. In order to complement the research relating physical activity to obesity and related diseases, the first aim of the thesis work was to develop a model for objective identification of physical activity types in real-life condition and energy expenditure based on a combination of 2 accelerometers and 1 GPS device. The model takes into account that a given activity can be achieved in many different ways in real life condition. Daily activities could be classified in 8 categories, as sedentary to active physical activity, within 1 min accuracy, and physical activity patterns determined. The energy expenditure could be predicted accurately with an accuracy below 10%. Furthermore, individuals' physical activity behaviour is expression of individual choices and their interaction with the neighbourhood environment. In a second study, we hypothesized that, in an environment characterized by inclines, obese individuals are tempted to avoid steep positive slopes and to decrease walking speed during spontaneous outdoor physical activity, as well as during prescribed structured bouts of exercise. Finally, we characterized, by mean of the developed model, the physical activity behaviour of obese individuals in a hilly urban environment. Quantifying how one tackles hilly environment or avoids slope in their everyday displacements should be also considered while prescribing extra walking in free-living conditions in order to increase physical activity.

Une insuffisance cardiaque traitée par glucocorticoïdes [A heart insufficiency treated by glucocorticoids]

Arrhythmogenic right ventricular dysplasia was diagnosed in 2000 in this 44-year-old male patient with a history of syncope. An internal defibrillator was implanted. Six years later the patient was readmitted with severe heart failure, and cardiac sarcoidosis was diagnosed by myocardial biopsy. Response to a course of glucorticoids was favourable. We herein review diagnostic strategies and therapeutic options in this rare disorder.

Plasma and cerebrospinal fluid population pharmacokinetics of temozolomide in malignant glioma patients

RESUME : Objectif: Le glioblastome multiforme (GBM) est la tumeur cérébrale maligne la plus agressive qui conduit au décès de la majorité des patients moins d'une année après le diagnostic. La plupart des agents chimiothérapeutiques actuellement disponibles ne traversent pas la barrière hémato¬encéphalique et ne peuvent par conséquent pas être utilisés pour ce type de tumeur. Le Temozolomide (TMZ) est un nouvel agent alkylant récemment développé pour le traitement des gliomes malins. A ce jour, très peu d'informations sont disponibles sur la pénétration intra-cérébrale de cet agent. Au cours d'une étude pilote de phase II menée auprès de 64 patients atteints de GBM, l'administration précoce de TMZ combinée à une radiothérapie standard (RT) afin d'intervenir au plus tôt dans l'évolution de la maladie, a permis de prolonger la survie de ces patients, résultat qui pu être confirmé par la suite lors de l'étude randomisée de phase III. L'objectif de cette étude a été de déterminer les paramètres pharmacocinétique du TMZ dans le plasma et le liquide céphalo-rachidien (LCR), d'évaluer l'influence de certains facteurs individuels (âge, sexe, surface corporelle, fonction rénale/hépatique, co-médications, RT concomitante) sur ces différents paramètres, et enfin d'explorer la relation existant entre l'exposition au TMZ et certains marqueurs cliniques d'efficacité et de toxicité. Matériel et Méthode: Les concentrations de TMZ ont été mesurées par chromatographie liquide à haute performance (HPLC) dans le plasma et le LCR de 35 patients atteints de GBM nouvellement diagnostiqués (étude pilote) ou de gliomes malins en récidive (étude récidive). L'analyse pharmacocinétique de population a été réalisée à l'aide du programme NONMEM. L'exposition systémique et cérébrale, définie par les AUC (Area Under the time-concentration Curve) dans le plasma et le LCR, a été estimée pour chaque patient et corrélée à la toxicité, la survie ainsi que la survie sans progression tumorale. Résultats: Un modèle à 1 compartiment avec une cinétique d'absorption et de transfert Kplasma -> LCR de ordre a été retenu afin de décrire le profil pharmacocinétique du TMZ. Les valeurs moyennes de population ont été de 10 L/h pour la clairance, de 30.3 L pour le volume de distribution, de 2.1 h pour la 1/2 vie d'élimination, de 5.78 hE-1 pour la constante d'absorption, de 7.2 10E4 hE-1 pour Kplasma->LCR et de 0.76 hE-1 pour KLCR plasma. La surface corporelle a montré une influence significative sur la clairance et le volume de distribution, alors que le sexe influence la clairance uniquement. L'AUC mesurée dans le LCR représente ~20% de celle du plasma et une augmentation de 15% de Kplasma->LCR a été observée lors du traitement concomitant de radiochimiothérapie. Conclusions: Cette étude est la première analyse pharmacocinétique effectuée chez l'homme permettant de quantifier la pénétration intra-cérébrale du TMZ. Le rapport AUC LCR/AUC Plasma a été de 20%. Le degré d'exposition systémique et cérébral au TMZ ne semble pas être un meilleur facteur prédictif de la survie ou de la tolérance au produit que ne l'est la dose cumulée seule. ABSTRACT Purpose: Scarce information is available on the brain penetration of temozolomide (TMZ), although this novel methylating agent is mainly used for the treatment of ma¬lignant brain tumors. The purpose was to assess TNIZ phar¬macokinetics in plasma and cerebrospinal fluid (CSF) along with its inter-individual variability, to characterize covari¬ates and to explore relationships between systemic or cere¬bral drug exposure and clinical outcomes. Experimental Design: TMZ levels were measured by high-performance liquid chromatography in plasma and CSF samples from 35 patients with newly diagnosed or recurrent malignant gliomas. The population pharmacoki¬netic analysis was performed with nonlinear mixed-effect modeling software. Drug exposure, defined by the area un¬der the concentration-time curve (AUC) in plasma and CSF, was estimated for each patient and correlated with toxicity, survival, and progression-free survival. Results: A three-compartment model with first-order absorption and transfer rates between plasma and CSF described the data appropriately. Oral clearance was 10 liter/h; volume of distribution (VD), 30.3 liters; absorption constant rate, 5.8 hE-1; elimination half-time, 2.1 h; transfer rate from plasma to CSF (Kplasma->CSF), 7.2 x 10E-4hE-1 and the backwards rate, 0.76hE-1. Body surface area signifi¬cantly influenced both clearance and VD, and clearance was sex dependent. The AU CSF corresponded to 20% of the AUCplasma. A trend toward an increased K plasma->CSF of 15% was observed in case of concomitant radiochemo-therapy. No significant correlations between AUC in plasma or CSF and toxicity, survival, or progression-free survival were apparent after deduction of dose-effect. Conclusions: This is the first human pharmacokinetic study on TMZ to quantify CSF penetration. The AUC CSF/ AUC plasma ratio was 20%. Systemic or cerebral exposures are not better predictors than the cumulative dose alone for both efficacy and safety.

A comparative study of reactive hyperemia in human forearm skin and muscle

Résumé en français: L'hyperémie réactive dans la microcirculation musculature et cutanée de l'avant-bras permet d'évaluer l'atteinte vasculaire dans les maladie cardiovasculaires. Cette méthode permet d'obtenir un reflet de la progression de l'atteinte vasculaire, de traquer la progression de la maladie ainsi que le risque cardio-vasculaires. Elle est en étude également pour tester l'efficacité d'une intervention thérapeutique. L'hyperémie réactive est dépendante d'une dilatation post ischémique par diminution des résistances artériolaires. Au niveau des membres, l'ischémie peut-être débutée et interrompue très facilement par une manchette à pression gonflée au-dessus de la pression systolique suivie quelques minutes plus tard de son dégonflement. Les mesures de flux sanguin musculaire et cutané au niveau d'un membre sont facile à réaliser chez l'homme, tout particulièrement au niveau de l'avant-bras. Pour l'instant aucune étude utilisant cette approche ne spécifiait quel avant-bras était utilisé. Il est cependant concevable que la réponse varie selon que l'on teste le bras dominant ou non-dominant. Il parait donc important de clarifier ce point. Le premier but de l'étude consiste donc à investiguer une éventuelle différence entre le bras dominant et le bras non-dominant d'un sujet lors de tests de l'hyperémie réactive dans le muscle et la peau. Il est connu que l'hyperémie réactive au niveau musculaire peut-être diminuée par les médicaments antiinflammatoires non stéro~idiens (AINS), indiquant une implication partielle des métabolites de la cyclo-oxygénase. L'influence des AINS sur la réponse cutanée est moins clairement établie. Ainsi, le second but de cette étude est de comparer l'effet de l'inhibition de la cyclo-oxygénase sur l'hyperémie réactive musculaire et cutanée chez des sujets sains. Le collectif de patients consiste en 23 sujets masculins volontaires, en bonne santé, non fumeurs, de 18 à 30 ans. Aucuns antécédents médicaux ne sont connus et aucune médication n'est prise durant la période de l'étude. Tous . les sujets ont donné leur consentement par écrit. Le flux sanguin musculaire de l'avant-bras est mesuré au moyen d'une pléthysmographie par occlusion veineuse, et le flux cutané l'est par imagerie laser Doppler. Les expériences ont lieu entre 16 et 18 h dans une chambre calme à température constante (23-24°C) chez un sujet couché. Les participants n'ont pas consommé d'AINS durant la semaine précédente ni bu de café dans les 12 h précédant l'expérience. Les mesures sont effectuées en triplicat au niveau musculaire puis cutané ou inversement selon un ordre aléatoire. Suite à une occlusion artérielle l'étude du flux se fait sur 3 min et 5 min de récupération sont prises entre 2 mesures. L'expérience 1 consiste à tester un possible effet systématique de la latéralisation du bras dominant ou non sur la réponse à l'hyperémie réactive dans la peau et le muscle de l'avant-bras. 16 sujets sont étudiés à 2 reprises, espacées de 1 à 3 jours. A la première visite, l'hyperémie musculaire est étudiée dans un avant-bras, la réaction cutanée dans l'autre et inversement lors de la deuxième visite. Une précaution est observée afin de mesurer le flux sanguin cutané à la même distance du poignet dans les 2 avant-bras. L'expérience 2 est développée pour évaluer l'impact d'une inhibition des cyclo-oxygénases. Sept sujet sont considérés à 2 occasions espacées de 7 à 10 j. L'étude s'effectue uniquement au niveau de l'avant-bras dominant. Le site cutané au niveau du poignet est marqué lors de la première visite afin d'utiliser le même site de mesure lors de la seconde visite. Le sujet ingère 1,8 g d'Aspegic (équivalant à 1 g d'acide acétylsalilcylique) dissout dans 125 ml de jus d'orange ou le jus d'orange seul lors de l'autre visite selon un ordre randomisé. Les mesures sont débutées 2 h après la prise. Summary Reactive hyperemia (RH) in forearm muscle or skin microcirculation has been considered as a surrogate endpoint in clinical studies of cardiovascular disease. We evaluated two potential confounders that might limit such use of RH, namely laterality of measurement and intake of non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDS). Twenty-three young non-smoking healthy adults were enrolled. In Experiment 1 (n=16), the RH elicited by 3 min of ischemia was recorded in the muscle (strain gauge plethysmography, hand excluded) and skin (laser Doppler imaging) of both forearms. In Experiment 2 (n=7), RH was determined in the dominant forearm only, one hour following oral acetylsalicylic acid (1 g) or placebo. In Experiment 1, peak RH was identical in both forearms, and so were the corresponding durations of responses. RH lasted significantly less in muscle than in skin (p=0.003), a hitherto unrecognized fact. In the skin, acetylsalicylate reduced duration (43 vs 57.4 s for placebo, p=0.03), without affecting the peak response. In muscle, duration tended to decrease with acetylsalicylate (21.4 vs 26.0 s with placebo, p=0.06) and the peak increase in blood flow was blunted (27.2 vs 32.4 ml/min/100 ml tissue with placebo, p=0.003). We conclude that, when using RH as a surrogate endpoint in studies of cardiovascular disease, a confounding by laterality of measurement need not be feared, but NSAIDS may have an influence, although perhaps not on the peak response in the skin.

Study of the SRR1-gene family in Arabidopsis, yeast and mouse cells

Abstract: Light is a very important environmental cue for plants. In addition to the energy for photosynthesis, it also provides information that is essential for many processes including seed germination, seedlings development, neighbours detection or transition from the vegetative to the reproductive state. Plants evolved different photoreceptors, among which the phytochromes (PHY), which are red/far-red photoreceptors. This family is composed of 5 members in Arabidopsis thaliana, among which phyB plays the major role for detection of red light. Phytochromes are also able to reset the phase of the circadian clock, which is composed of a complicated network of genes able to produce rhythms of about 24 hours, even in constant conditions. SRR1 (Sensitivity to Red light Reduced) is a gene that was shown to act in the phyB pathway as well as in the circadian clock. It was proposed to play a role in the maintenance of rhythms of the core oscillator because of the circadian phenotype of the srr1 mutant in constant light and in constant darkness. In the present study, we present data confirming the role of SRR1 in the core oscillator. Moreover, we show that SRR1 levels are not limiting for circadian rhythms nor for light perception. We show that the protein levels, the sub-cellular localisation or the complex in which SRR1 is found are not regulated in a circadian manner. Orthologues of SRR1 exist in numerous eukaryotes, forming a new gene family. None of the members of this family have been described. Here, we present data suggesting that the mouse orthologue of SRR1 may not be required for oscillation of the circadian clock of mouse cells in culture. The yeast gene (called BER1 for Benomyl REsistant) was studied to understand the biochemical function of this gene family. Based on synthetic genetic screens, a role of Ber1 was inferred in microtubules dynamics, N-terminal acetylation of protein and proteasome biogenesis. The effect of Ber1 on microtubules was confirmed by the observation that the ber1Δ mutant is more resistant to microtubule-depolymerising drugs and microscopic examination of microtubules in ber 1 Δ mutants. Complementation assays of ber1 Δ mutants and srrl mutants failed to reveal any obvious functional conservation of the mouse, yeast and Arabidopsis orthologues. In conclusion, the SRR1 family might encode genes that either plays different roles in different organisms, or have similar biochemical function but are involved in diverse pathway. Résumé: La lumière est un des facteurs abiotiques les plus important pour les plantes. En plus de l'énergie fournie pour la photosynthèse, elle fourni également de l'information nécessaire pour différents processus comme la germination, le développement des jeunes plantules, la détection de plantes avoisinantes ou encore la transition entre le développement végétatif et reproductif. Plusieurs types de photorécepteurs sont apparus chez les plantes au cours de l'évolution, notamment les phytochromes (PHI, qui perçoivent la lumière rouge et rouge lointaine. Cette famille est composé de 5 membres chez Arabidopsis thaliana, parmi lesquels phyB est le principal récepteur pour la lumière rouge. Les phytochromes sont aussi utiles pour la synchronisation entre les cycles jour-nuit dus à la rotation de la terre et l'horloge circadienne. Cette dernière est composée d'un réseau compliqué qui permet la production de rythmes capables de perdurer même en conditions constantes. SRRI (Sensitivity to Red light Reduced) est un gène qui agit dans la voie de signalisation de phyB ainsi que dans l'horloge circadienne. Il a été proposé que SRRI joue un rôle dans la maintenance des rythmes de l'oscillateur principal à cause des phénotypes circadiens du mutant srrl observés en lumière et en obscurité continue. Dans ce travail, nous présentons des données confirmant le rôle de SRR1 dans l'oscillateur principal. Nous montrons que les niveaux d'expression de SRRI ne sont pas limitants pour les rythmes circadiens ou la perception de la lumière. Enfin, nous montrons que le niveau d'accumulation de la protéine, sa localisation subcellulaire ou encore la taille du complexe dans lequel SRRl est trouvé ne sont pas régulés de façon circadiennes. Des orthologues de SRRI existent chez de nombreux eucaryotes, formant une nouvelle famille de gènes. Aucun des membres de cette famille n'a été étudié avant ce travail. Nous présentons des données suggérant que l'orthologue de la souris n'est peut-être pas requis pour les oscillations de l'horloge circadienne de cellules de souris en culture. Le gène de la levure (appelé SERI pour Benomyl REsistant) a été étudié afin de mieux comprendre la fonction biochimique de cette famille de gène. Une analyse par crible synthétique léthal a révélé un rôle de Ber1 dans la dynamique des microtubules, l'acétylation des protéines en N-terminal et la biogenèse du protéasome. L'effet de Ber1 sur les microtubules a été confirmé par l'observation du mutant ber1 en présence de drogue capable de dépolymériser les microtubules. Celui-ci est plus résistant à ces drogues que le type sauvage. Des expériences de complémentation n'ont pas montré de conservation de la fonction entre SRRI et ses homologues de souris ou de levure. En conclusion, la famille SRRI code pour des gènes qui pourraient avoir soit des rôles différents selon les organismes, soit la même fonction biochimique mais qui serait utile pour des voies de signalisation différentes.

ASIC1a oligomerization structure-function of its extracellular vestibule and functional characterization of αS243Pβɣ ENaC

Quatre cristaux du canal ASIC1a ont été publiés et soutiennent une stoechiométrie trimérique. Cependant, ces données contredisant de précédentes analyses fonctionnelles effectuées sur des canaux de la même famille, notre intérêt fut porté sur l'oligomérisation d'ASIC1a. Dans ce sens, un nouvel essai couplant la méthode d'analyse par substitution de cystéines (SCAM) avec l'utilisation de réactifs sulfhydryls bifonctionnels (crosslinkers) a été mis en place. Le but étant de stabiliser, puis sélectionner les canaux fonctionnels, pour ensuite les séparer selon leur taille par SDS-PAGE. Grâce à cette technique, nous avons démontré que le complexe stabilisé a une taille coïncidant avec une organisation tétramérique. En plus de son oligomérisation, le chemin emprunté par les ions pour traverser le canal n'est pas clairement défini dans ces structures. De ce fait, utilisant une approche électrophysiologique, nous avons étudié le lien entre la structure et la fonction du vestibule extracellulaire d'ASIC1a. Dans ce but, nous nous sommes intéressés l'accessibilité de cystéines spécifiques localisées dans ce vestibule pour des réactifs méthanethiosulfonates (MTS). Ainsi, nous avons pu corréler les cinétiques de modification de ces cystéines par les MTS avec les effets sur le courant sodique, et donc avoir des informations supplémentaires sur la voie empruntée par les ions. De plus, la simulation informatique de liaison de ces réactifs illustre le remplissage total de ce vestibule. Fonctionnellement, cette interaction ne perturbe pas le passage de ions, c'est pourquoi il nous apparaît probable que le vestibule présente une taille plus large que celle illustrée par les cristaux. Dans un deuxième temps, notre intérêt fut porté sur ENaC. Ce canal est composé des trois sous-unités (a, ß et y) et est exprimé dans divers épithéliums, dont les tubules des reins. Il participe à l'homéostasie sodique et est essentiellement régulé par voie hormonale via l'aldostérone et la Vasopressine, mais également par des sérines protéases ou le Na+. Nous avons étudié la répercussion fonctionnelle de la mutation aS243P, découverte chez un nouveau-né prématuré atteint de pseudohypoaldostéronisme de type 1. Cette maladie autosomale récessive se caractérise, généralement, par une hyponatrémie liée à d'importantes pertes de sel dans les urines, une hyperkaliémie, ainsi qu'un niveau élevé d'aldostérone. Tout d'abord aucune des expériences biochimiques et électrophysiologiques n'a pu démontrer un défaut d'expression ou une forte diminution de l'activité soutenant les données cliniques. Cependant, en challengeant aS243PßyENaC avec une forte concentration de Na+ externe, une hypersensibilité de canal fut observée. En effet, ni les phénomènes régulateurs de « feedback inhibition » ou de « Na+ self-inhibition » n'étaient semblables au canal sauvage. De ce fait, ils apparaissaient exacerbés en présence de la mutation, amenant ainsi à une diminution de la réabsorption de Na+. Ceci corrobore entièrement l'hyponatrémie diagnostiquée. Le rein d'un prématuré étant immature, la quantité de Na+ atteignant la partie distale du néphron est plus élevée, du fait que les autres mécanismes de réabsorption en amont ne sont probablement pas encore en place. Cette hypothèse est renforcée par l'existence d'un frère présentant la même mutation, mais qui, né à terme, ne présentait aucun signe d'hyponatrémie. - The main topic of my thesis is the structure-function relationship of the ENaC/Deg family of ion channels, namely the Acid-Sensing Ion Channel ASIC1a and the Epithelial Na Channel ENaC. The primary part of this research is dedicated to the structure of ASIC1a. Four channel crystals have been published, which support a trimeric stoichiometry, although these data contradict previous functional experiments on other ENaC/Deg members. We are therefore interested in ASIC1a oligomerization and have set up a new assay combining the Substituted- Cysteine Accessibility Method (SCAM) with Afunctional sulfhydryl reagents (crosslinkers) allowing its study. The aim was to first stabilize the channels, then select those that are functional and then resolve them according to their size on SDS-PAGE. We demonstrated that the stabilized complex has a molecular weight corresponding to a tetrameric stoichiometry. In addition to our interest in the oligomerization of the ENaC/Deg family of ion channels, we also wanted to investigate the thus far undefined way of permeation for these channels. Therefore, taking the advantage of a more electrophysiological approach, we studied the accessibility of specific cysteines for methanethiosulfonate reagents (MTS) and were able to correlate the MTS association kinetics on cysteine residues with Na+ currents. These results have given us an insight into ion permeation and our functional evidence indicates that the extracellular is larger than that depicted by the crystal structures. As a side project, we focused on ENaC, which is made up of three subunits (a, ß and y) and is expressed in various epithelia, especially in the distal nephron of the kidneys. It plays a role in Na+ homeostasis and is essentially regulated by hormones via aldosterone and vasopressin, but also by serine proteases or Na+. We have studied the functional impact of the aS243P mutation, discovered in a premature baby suffering from pseudohypoaldosteronism of type 1. This autosomal recessive disease is characterized by hyponatremia, hyperkalemia and high aldosterone levels. Firstly, neither biochemical nor electrophysiological experiments indicated an expression defect or a strong decrease in activity. However, challenging aS243PßyENaC with increased external Na+ concentration showed channel hypersensitivity. Indeed, both the "feedback inhibition" and the "Na+ self-inhibition" regulatory mechanisms are impaired, leading to a decrease in Na+ reabsorption, entirely supports the diagnosis. The kidneys in preterm infants are immature and Na+ levels reaching the distal nephron are higher than normally observed. We hypothesize that the upstream reabsorption machinery is unlikely to be sufficiently matured and this assumption is supported by an asymptomatic sibling carrying the same mutation, but born at term. - La cellule, unité fonctionnelle du corps humain, est délimitée par une membrane plasmique servant de barrière biologique entre les milieux intra et extracellulaires. Une communication entre cellules est indispensable pour un fonctionnement adéquat. Sa survie dépend, entre autres, du maintien de la teneur en ions dans chacun des milieux qui doivent pouvoir être réabsorbés, ou sécrétés, selon les besoins. Les protéines insérées dans la membrane forment un canal et sont un moyen de communication permettant spécifiquement à des ions tel que le sodium (Na+) de traverser. Le Na+ se trouve dans la plupart des aliments et le sel, et est spécifiquement réabsorbé au niveau des reins grâce au canal sodique épithélial ENaC. Cette réabsorption se fait de l'urine primaire vers l'intérieur de la cellule, puis est transporté vers le sang. Pour maintenir un équilibre, une régulation de ce canal est nécessaire. En effet, des dysfonctionnements impliquant la régulation ou l'activité d'ENaC lui-même sont à l'origine de maladies telles que la mucoviscidose, l'hypertension ou encore, le pseudohypoaldostéronisme (PHA). Cette maladie est caractérisée, notamment, par d'importantes pertes de sel dans les urines. Des pédiatres ont diagnostiqué un PHA chez un nouveau-né, ce dernier présentant une modification du canal ENaC, nous avons recréé cette protéine afin d'étudier l'impact de ce changement sur son activité. Nous avons démontré que la régulation d'ENaC était effectivement perturbée, conduisant ainsi à une forte réduction de la réabsorption sodique. Afin de développer des molécules capables de moduler l'activité de protéines. Il est nécessaire d'en connaître la structure. Celle du canal sodique sensible à l'acidification ASIC1, un canal cousin d'ENaC, est connue. Ces données structurales contredisant cependant les analyses fonctionnelles, nous nous sommes penchés une nouvelle fois sur ASIC1. Une protéine est une macromolécule biologique composée d'une chaîne d'acides aminés (aa). De l'enchaînement d'aa à la protéine fonctionnelle, quatre niveaux de structuration existent. Chaque aa donne une indication quant au repliement et plus particulièrement la cystéine. Arborant un groupe sulfhydryle (SH) capable de former une liaison spécifique et stable avec un autre SH, celle-ci est souvent impliquée dans la structure tridimensionnelle de la protéine. Ce type de liaison intervient également dans la stabilisation de la structure quaternaire, qui est l'association de plusieurs protéines identiques (homomère), ou pas (hétéromère). Dans cette partie, nous avons remplacé des aa par des cystéines à des endroits spécifiques. Le but était de stabiliser plusieurs homomères d'ASICl ensemble avec des réactifs créant des ponts entre deux SH. Ainsi, nous avons pu déterminer le nombre de protéines ASIC1 participant à la formation d'un canal fonctionnel. Nos résultats corroborent les données fonctionnelles soutenant un canal tétramérique. Nous avons également étudié l'accessibilité de ces nouvelles cystéines afin d'obtenir des informations supplémentaires sur la structure du chemin emprunté par le Na+ à travers ASIC1 et plus particulièrement du vestibule extracellulaire.

Novel immunotherapeutic strategies against human papillomavirus type 16 (HPV 16) induced lesions and cervical cancer

RESUME Le cancer du col de l'utérus, deuxième cause de mort par cancer chez la femme, a pu être associé à une infection par plusieurs types de virus du Papillome Humain (HPV), et en particulier HPV 16. Les vaccins prophylactiques sont efficaces à prévenir le cancer du col utérin alors que les lésions de haut grade sont généralement traitées par ablation chirurgicale et par d'éventuels traitements additionnels. Les risques de récurrence liés aux ablations et le taux de mortalité (50%) lié au cancer, démontrent le besoin de développer des stratégies alternatives afin de cibler les lésions précancéreuses. A ce jour, les vaccins thérapeutiques ont démontré peu de résultats cliniques, contrastant avec les régressions de tumeurs ectopiques observées après vaccination dans des modèles murins avec tumeurs associées à HPV. L'induction de réponses immunitaires protectrices dans la muqueuse génitale semble être cruciale pour l'efficacité des vaccins thérapeutiques HPV et évaluer leur efficacité dans un modèle murin avec tumeurs-HPV génitales représente un pré-requis important avant de procéder à des études cliniques. Par conséquent, nous avons établi un modèle murin orthotopique où des tumeurs se développent dans (a muqueuse génitale après une instillation intra-vaginale (i.vag) de cellules tumorales exprimant les oncogènes E6/E7 d'HPV 16 et transduites par un vecteur lentiviral codant la luciferase afin de suivre le développement de ces tumeurs in vivo par imagerie. La caractérisation histologique a démontré que les tumeurs grandissaient dans l'épithélium vaginal et en accord avec leur localisation, des cellules Τ CD8 spécifiques à E7 induites par la tumeur n'étaient détectées que dans la muqueuse génitale et les ganglions drainants. Une infiltration de cellules Τ régulatrices a aussi été mise en évidence, empêchant la régression spontanée de ces tumeurs. Par conséquent, ce modèle devrait être plus adéquat pour tester des stratégies thérapeutiques, étant donné qu'il partage certaines similarités immunologiques avec les lésions génitales naturelles causées par HPV. Etant donné que les oncogènes E6 et E7 d'HPV sont nécessaires à la maintenance du phénotype cancéreux des cellules cervicales, elles représentent des antigènes cibles pour la vaccination thérapeutique. Nous avons démontré que des souris immunisées par voie sous-cutanée (s.c.) avec une dose d'un vaccin à base de polypeptide E7 d'HPV 16 et d'adjuvants, présentaient de nombreuses cellules Τ CD8 sécrétant de l'IFN-γ spécifiquement à E7 dans leurs organes lymphatiques mais également dans la muqueuse génitale. De plus, le manque de corrélation entre les réponses spécifiques mesurées dans la périphérie et dans la muqueuse génitale souligne la nécessité et l'importance de déterminer les réponses immunitaires localement là où les lésions dues à HPV se développent. Si une vaccination par voie muqueuse est plus propice à traiter/régresser des infections génitales/tumeurs que le voie parentérale est un sujet débattu. Nos données montrent que seule la voie s.c. était capable de régresser la quasi totalité des tumeurs génitales chez la souris bien que des réponses CD8 spécifiques à E7 similaires étaient mesurées dans la muqueuse génitale après des vaccinations intra-nasale et i.vag. Afin d'augmenter la réponse spécifique au vaccin dans la muqueuse génitale, des immunostimulants ont été administrés par voie i.vag après vaccination. Nous avons démontré qu'une application i.vag d'agonistes des Toll like receptors après une vaccination s.c. induisait de manière significative une augmentation des cellules Τ CD8 sécrétant de l'IFN-γ spécifiquement à E7 dans la muqueuse génitale. Plus précisément et concernant les CpG et Poly l:C, l'effet était probablement associé à une attraction locale des cellules Τ CD8 et deuxièmement dépendait respectivement des voies de signalisation TLR9 et TLR3/Mda5. Finalement, cette stratégie combinatoire a permis de régresser des grosses tumeurs génitales chez la souris, suggérant qu'une telle immunothérapie pourrait adéquatement traiter des lésions dues à HPV chez les femmes. SUMMARY Cervical cancer is the second leading cause of cancer mortality in women worldwide and results from an infection with a subset of Human Papillomavirus (HPV), HPV 16 representing the most prevalent type. The available prophylactic vaccines are an effective strategy to prevent cervical cancer while already established high grade lesions usually require surgical ablation of lesion with possible additional treatments. Recurrence risks linked to conventional ablations and the high mortality (50%) related to cervical cancer demonstrate the need for alternative strategies like immunotherapies to target pre¬cancerous lesions. Until now, therapeutic vaccines only showed limited clinical results, which strongly contrast with the regression of ectopic tumors observed in the available murine HPV tumor models after vaccination. Induction of protective immune responses in the genital mucosa (GM) may be crucial for efficacy of HPV therapeutic vaccines and evaluating their efficacy in a murine model with genital HPV- tumors represents an important prerequisite for clinical trials. Thus, we have here established an orthotopic mouse model where tumors in the GM develop after an intravaginal (i.vag) instillation of HPV 16 E6/E7 oncogenes-expressing tumor cells transduced with a luciferase encoding lentivirus vector for in vivo imaging of tumor growth. Histological characterization showed that tumor grew within the vaginal epithelium and according to their mucosal location tumor- induced E7-specific CD8 Τ cells were restricted to the GM and genital draining lymph nodes together with high Τ regulatory cells infiltrates preventing spontaneous regression. Consequently, sharing several immunological similarities with natural genital HPV lesions, this novel genital tumor model may be more adequate to test therapeutic strategies. As E6 and/or E7 HPV oncogenes expression is required for the maintenance of the cancerous phenotype of cervical cells, they represent target antigens for therapeutic vaccination. We reported that mice subcutaneously (s.c.) immunized once with an adjuvanted HPV 16 E7 polypeptide vaccine harbored high E7-specific IFN-γ secreting CD8 Τ cells in their lymphoid organs and more importantly in the GM. In addition, the lack of correlation between specific responses measured in the periphery with those measured in the GM highlighted the necessity and relevance to determine the immune responses locally where HPV 16-induced lesions develop. Whether a mucosal route of immunization is better to treat/regress genital infections/tumors than parenteral immunization is still debated. Our data shows that although similar E7-specific IFN-γ secreting CD8 Τ cells responses were measured in the GM upon mucosal routes of E7 vaccine delivery (nasal and vaginal immunizations), only the s.c immunization was able to regress at least all genital tumors in mice. To further increase the vaccine-specific responses in the GM, immunostimulatory agents were i.vag administrated after vaccination. We demonstrated that a single i.vag application of toll like receptor (TLR) agonists after a s.c. E7 vaccination induced a significant increase of E7-specific IFN-γ secreting CD8 Τ cells in the GM. More precisely, regarding CpG and Poly l:C, the effect is most probably associated with a local attraction of total CD8 Τ cells and secondly depends on TLR9 and TLR3/Mda5 signaling pathways, respectively. Finally, this combinatorial strategy induced tumor regression in mice harboring large genital tumors, suggesting that such an immunotherapy could be adequate to treat HPV-induced lesions in women.

Monitoring of innate and adaptive immune responses in the context of human immunotherapy

Summary1 SummaryCancer patients have a better clinical outcome when their tumours display marked infiltration by memory Τ cells. Moreover, the overrepresentation of Th1 gene signatures in primary tumours correlates with favourable prognosis. Thus, vaccination to induce Τ cells capable of infiltrating and eradicating the tumour seems a promising strategy for the treatment of cancer. Here, I monitored CD4 Τ cell responses in melanoma patients vaccinated with the long synthetic peptides Melan- A16-35(A27L) and NY-ESO-179.108. Most of the patients developed strong and diverse peptide antigen specific CD4 Τ cell responses. Analysis of the fine specificity of CD4 Τ cell antigen recognition led to the identification of two new epitopes. The peptide Melan-A16_35(A27L) was delivered by virus-like particles (VLPs) derived from bacteriophage Οβ, which themselves displayed strong immunogenicity. I show evidence for induction of Οβ- and Melan-A specific CD4 Τ cell responses that developed a Th1 functional profile after repeated vaccination cycles. They also specifically released the chemokines CCL-3 and CCL-4, which play important roles in attracting CD8 Τ cells to the APC surface for priming and formation of Τ cell memory. We further found induction of robust humoral IgG responses upon VLP vaccination, and the lgG1-lgG4 isotype composition depended on the adjuvant used. Since heavy chain class switching largely dépends on the presence of CD4 Τ cell help, this result suggests that the adjuvant can influence the differentiation of elicited CD4 Τ cells, thereby contributing to the quality and function of both Β cells and CD8 Τ cells. The nature of the inflammatory processes in the tumour microenvironment can modulate CD8 Τ cell function. A collaboration was established for the investigation regulation of inflammasome activation in human primary monocytes. We identified IL- 4 and TGF-β as strong inhibitors of IL-1 β secretion, Indicating some level of regulation from effector Th2 and Treg responses. We further found a potent inhibition of inflammasome activation by type I interferon, and demonstrated in vivo inhibition of IL-1 β responses in monocytes from active multiple sclerosis patients under IFN-β therapy. This finding further offers a possible explanation for its success, which mechanism of action is still largely unclear. Interestingly, type I interferon is also being used as adjuvant treatment for tumour free metastatic cutaneous melanoma patients. While its clinical benefit has remained controversial, recent data suggest that the subset of patients with ulcerated primary melanoma lesions can benefit from this therapy. Future investigations will shed light on the implication of the inflammasome in this context, and may offer new strategies for improved adjuvant treatments of melanoma.2 RésuméLes patients atteints de cancer ont une meilleure chance de survie si leurs tumeurs s'avèrent être largement infiltrées par des cellules Τ mémoires. De plus, la surreprésentation d'une signature génique Th1 est en corrélation avec un pronostic favorable. Ainsi, la vaccination visant à induire des cellules Τ capables d'infiltrer et de détruire la tumeur parait être une stratégie prometteuse pour le traitement du cancer. Dans ce travail, j'ai procédé au monitoring de la réponse des cellules Τ CD4 dans des patients atteints de mélanome vaccinés avec les longs peptides synthétiques Melan-A16_35(A27L) et NY-ESO-179_108. Ces peptides représentent des antigènes tumoraux reconnus par des lymphocytes T. La majorité des patients a développé une réponse forte et diversifiée des cellules Τ CD4 spécifiques contre les peptides. L'analyse de la spécificité fine de la reconnaissance antigénique des cellules Τ CD4 nous a conduits à l'identification de deux nouveaux épitopes. Le peptide Melan-Aie. 35(A27L) a été délivré par des particules de type viral (VLPs) dérivés de bactériophages Qβ, qui ont eux-mêmes démontré une forte immunogénicité. Mon travail montre les preuves d'une induction de réponses spécifiques des cellules Τ CD4 contre les Qβ et Melan-A développant un profil fonctionnel Th1 après plusieurs cycles de vaccination. Elles secrètent aussi spécifiquement les chimiokines CCL-3 et CCL-4, qui jouent un rôle important dans l'attraction des cellules Τ CD8 à la surface des cellules présentatrices d'antigènes et contribuent ainsi à induire et former la mémoire cellulaire Τ CD8. Nous avons également remarqué une induction de fortes réponses humorales IgG après vaccination avec les VLPs, et que la composition des isotypes lgG1-lgG4 dépendait de l'adjuvant utilisé. Etant donné qu'une commutation de classe de la chaîne lourde dépend largement ùie l'aide des cellules Τ CD4, ce résultat suggère que l'adjuvant puisse influencer la différeritiation de cellules Τ CD4 en différent types, contribuant ainsi à la qualité et à la fonction des cellules Β et des cellules Τ CD8.La nature des processus d'inflammation dans le microenvironnement tumoral peut moduler la fonction des cellules Τ CD8. Une collaboration a été établie pour investiguer la régulation de l'activation de l'inflammasome dans des monocytes primaires humains. Nous avons identifié l'IL-4 et le TGF-β comme étant de puissants inhibiteurs de la sécrétion de IL-Ιβ, indiquant une certaine régulation de la réponse inflammatoire induite par les cellules Th2 et Τ régulatrices. Nous avons également trouvé une forte inhibition de l'activation de l'inflammasome par l'interféron type I, et nous avons démontré une inhibition in vivo de la réponse IL-1 β dans des monocytes de patients atteints d'une sclérose en plaque active sous traitement IFN-β. Ce résultat nous offre une possible explication du succès de cette thérapie, dont le mécanisme reste à ce jour encore largement obscur. Il est intéressant de noter que l'interféron de type I est également utilisé pour le traitement de patients atteints de mélanome cutané métastasique sans tumeurs. Bien que le bénéfice clinique de ce traitement reste controversé, des études récentes montrent qu'une partie des patients atteints de mélanome primaire ulcéré peut tirer bénéfice de cette thérapie. De futures investigations pourront mieux nous renseigner sur l'implication de l'inflammasome dans ce contexte et offrir de nouvelles stratégies pour améliorer les traitements adjuvants du mélanome.

Application of low temperature thermochronology to understanding cooling and exhumation in the Central Swiss Alps

THESIS ABSTRACT : Low-temperature thermochronology relies on application of radioisotopic systems whose closure temperatures are below temperatures at which the dated phases are formed. In that sense, the results are interpreted as "cooling ages" in contrast to "formation ages". Owing to the low closure-temperatures, it is possible to reconstruct exhumation and cooling paths of rocks during their residence at shallow levels of the crust, i.e. within first ~10 km of depth. Processes occurring at these shallow depths such as final exhumation, faulting and relief formation are fundamental for evolution of the mountain belts. This thesis aims at reconstructing the tectono-thermal history of the Aar massif in the Central Swiss Alps by means of zircon (U-Th)/He, apatite (U-Th)/He and apatite fission track thermochronology. The strategy involved acquisition of a large number of samples from a wide range of elevations in the deeply incised Lötschen valley and a nearby NEAT tunnel. This unique location allowed to precisely constrain timing, amount and mechanisms of exhumation of the main orographic feature of the Central Alps, evaluate the role of topography on the thermochronological record and test the impact of hydrothermal activity. Samples were collected from altitudes ranging between 650 and 3930 m and were grouped into five vertical profiles on the surface and one horizontal in the tunnel. Where possible, all three radiometric systems were applied to each sample. Zircon (U-Th)/He ages range from 5.1 to 9.4 Ma and are generally positively correlated with altitude. Age-elevation plots reveal a distinct break in slope, which translates into exhumation rate increasing from ~0.4 to ~3 km/Ma at 6 Ma. This acceleration is independently confirmed by increased cooling rates on the order of 100°C/Ma constrained on the basis of age differences between the zircon (U-Th)/He and the remaining systems. Apatite fission track data also plot on a steep age-elevation curve indicating rapid exhumation until the end of the Miocene. The 6 Ma event is interpreted as reflecting tectonically driven uplift of the Aar massif. The late Miocene timing implies that the increase of precipitation in the Pliocene did not trigger rapid exhumation in the Aar massif. The Messinian salinity crisis in the Mediterranean could not directly intensify erosion of the Aar but associated erosional output from the entire Alps may have tapered the orogenic wedge and caused reactivation of thrusting in the Aar massif. The high exhumation rates in the Messinian were followed by a decrease to ~1.3 km/Ma as evidenced by ~8 km of exhumation during last 6 Ma. The slowing of exhumation is also apparent from apatite (U-Th)1He age-elevation data in the northern part of the Lötschen valley where they plot on a ~0.5km/Ma line and range from 2.4 to 6.4 Ma However, from the apatite (U-Th)/He and fission track data from the NEAT tunnel, there is an indication of a perturbation of the record. The apatite ages are youngest under the axis of the valley, in contrast to an expected pattern where they would be youngest in the deepest sections of the tunnel due to heat advection into ridges. The valley however, developed in relatively soft schists while the ridges are built of solid granitoids. In line with hydrological observations from the tunnel, we suggest that the relatively permeable rocks under the valley floor, served as conduits of geothermal fluids that caused reheating leading to partial Helium loss and fission track annealing in apatites. In consequence, apatite ages from the lowermost samples are too young and the calculated exhumation rates may underestimate true values. This study demonstrated that high-density sampling is indispensable to provide meaningful thermochronological data in the Alpine setting. The multi-system approach allows verifying plausibility of the data and highlighting sources of perturbation. RÉSUMÉ DE THÈSE : La thermochronologie de basse température dépend de l'utilisation de systèmes radiométriques dont la température de fermeture est nettement inférieure à la température de cristallisation du minéral. Les résultats obtenus sont par conséquent interprétés comme des âges de refroidissement qui diffèrent des âges de formation obtenus par le biais d'autres systèmes de datation. Grâce aux températures de refroidissement basses, il est aisé de reconstruire les chemins de refroidissement et d'exhumation des roches lors de leur résidence dans la croute superficielle (jusqu'à 10 km). Les processus qui entrent en jeu à ces faibles profondeurs tels que l'exhumation finale, la fracturation et le faillage ainsi que la formation du relief sont fondamentaux dans l'évolution des chaînes de montagne. Ces dernières années, il est devenu clair que l'enregistrement thermochronologique dans les orogènes peut être influencé par le relief et réinitialisé par l'advection de la chaleur liée à la circulation de fluides géothermaux après le refroidissement initial. L'objectif de cette thèse est de reconstruire l'histoire tectono-thermique du massif de l'Aar dans les Alpes suisses Centrales à l'aide de trois thermochronomètres; (U-Th)/He sur zircon, (U-Th)/He sur apatite et les traces de fission sur apatite. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons récolté un grand nombre d'échantillons provenant de différentes altitudes dans la vallée fortement incisée de Lötschental ainsi que du tunnel de NEAT. Cette stratégie d'échantillonnage nous a permis de contraindre de manière précise la chronologie, les quantités et les mécanismes d'exhumation de cette zone des Alpes Centrales, d'évaluer le rôle de la topographie sur l'enregistrement thermochronologique et de tester l'impact de l'hydrothermalisme sur les géochronomètres. Les échantillons ont été prélevés à des altitudes comprises entre 650 et 3930m selon 5 profils verticaux en surface et un dans le tunnel. Quand cela à été possible, les trois systèmes radiométriques ont été appliqués aux échantillons. Les âges (U-Th)\He obtenus sur zircons sont compris entre 5.l et 9.4 Ma et sont corrélés de manière positive avec l'altitude. Les graphiques représentant l'âge et l'élévation montrent une nette rupture de la pente qui traduisent un accroissement de la vitesse d'exhumation de 0.4 à 3 km\Ma il y a 6 Ma. Cette accélération de l'exhumation est confirmée par les vitesses de refroidissement de l'ordre de 100°C\Ma obtenus à partir des différents âges sur zircons et à partir des autres systèmes géochronologiques. Les données obtenues par traces de fission sur apatite nous indiquent également une exhumation rapide jusqu'à la fin du Miocène. Nous interprétons cet évènement à 6 Ma comme étant lié à l'uplift tectonique du massif de l'Aar. Le fait que cet évènement soit tardi-miocène implique qu'une augmentation des précipitations au Pliocène n'a pas engendré cette exhumation rapide du massif de l'Aar. La crise Messinienne de la mer méditerranée n'a pas pu avoir une incidence directe sur l'érosion du massif de l'Aar mais l'érosion associée à ce phénomène à pu réduire le coin orogénique alpin et causer la réactivation des chevauchements du massif de l'Aar. L'exhumation rapide Miocène a été suivie pas une diminution des taux d'exhumation lors des derniers 6 Ma (jusqu'à 1.3 km\Ma). Cependant, les âges (U-Th)\He sur apatite ainsi que les traces de fission sur apatite des échantillons du tunnel enregistrent une perturbation de l'enregistrement décrit ci-dessus. Les âges obtenus sur les apatites sont sensiblement plus jeunes sous l'axe de la vallée en comparaison du profil d'âges attendus. En effet, on attendrait des âges plus jeunes sous les parties les plus profondes du tunnel à cause de l'advection de la chaleur dans les flancs de la vallée. La vallée est creusée dans des schistes alors que les flancs de celle-ci sont constitués de granitoïdes plus durs. En accord avec les observations hydrologiques du tunnel, nous suggérons que la perméabilité élevée des roches sous l'axe de la vallée à permi l'infiltration de fluides géothermaux qui a généré un réchauffement des roches. Ce réchauffement aurait donc induit une perte d'Hélium et un recuit des traces de fission dans les apatites. Ceci résulterait en un rajeunissement des âges apatite et en une sous-estimation des vitesses d'exhumation sous l'axe de la vallée. Cette étude à servi à démontrer la nécessité d'un échantillonnage fin et précis afin d'apporter des données thermochronologiques de qualité dans le contexte alpin. Cette approche multi-système nous a permi de contrôler la pertinence des données acquises ainsi que d'identifier les sources possibles d'erreurs lors d'études thermochronologiques. RÉSUMÉ LARGE PUBLIC Lors d'une orogenèse, les roches subissent un cycle comprenant une subduction, de la déformation, du métamorphisme et, finalement, un retour à la surface (ou exhumation). L'exhumation résulte de la déformation au sein de la zone de collision, menant à un raccourcissement et un apaissessement de l'édifice rocheux, qui se traduit par une remontée des roches, création d'une topographie et érosion. Puisque l'érosion agit comme un racloir sur la partie supérieure de l'édifice, des tentatives de corrélation entre les épisodes d'exhumation rapide et les périodes d'érosion intensive, dues aux changements climatiques, ont été effectuées. La connaissance de la chronologie et du lieu précis est d'une importance capitale pour une quelconque reconstruction de l'évolution d'une chaîne de montagne. Ces critères sont donnés par un retraçage des changements de la température de la roche en fonction du temps, nous donnant le taux de refroidissement. L'instant auquel les roches ont refroidit, passant une certaine température, est contraint par l'application de techniques de datation par radiométrie. Ces méthodes reposent sur la désintégration des isotopes radiogéniques, tels que l'uranium et le potassium, tous deux abondants dans les roches de la croûte terrestre. Les produits de cette désintégration ne sont pas retenus dans les minéraux hôtes jusqu'au moment du refroidissement de la roche sous une température appelée 'de fermeture' , spécifique à chaque système de datation. Par exemple, la désintégration radioactive des atomes d'uranium et de thorium produit des atomes d'hélium qui s'échappent d'un cristal de zircon à des températures supérieures à 200°C. En mesurant la teneur en uranium-parent, l'hélium accumulé et en connaissant le taux de désintégration, il est possible de calculer à quel moment la roche échantillonnée est passée sous la température de 200°C. Si le gradient géothermal est connu, les températures de fermeture peuvent être converties en profondeurs actuelles (p. ex. 200°C ≈ 7km), et le taux de refroidissement en taux d'exhumation. De plus, en datant par système radiométrique des échantillons espacés verticalement, il est possible de contraindre directement le taux d'exhumation de la section échantillonnée en observant les différences d'âges entre des échantillons voisins. Dans les Alpes suisses, le massif de l'Aar forme une structure orographique majeure. Avec des altitudes supérieures à 4000m et un relief spectaculaire de plus de 2000m, le massif domine la partie centrale de la chaîne de montagne. Les roches aujourd'hui exposées à la surface ont été enfouies à plus de 10 km de profond il y a 20 Ma, mais la topographie actuelle du massif de l'Aar semble surtout s'être développée par un soulèvement actif depuis quelques millions d'années, c'est-à-dire depuis le Néogène supérieur. Cette période comprend un changement climatique soudain ayant touché l'Europe il y a environ 5 Ma et qui a occasionné de fortes précipitations, entraînant certainement une augmentation de l'érosion et accélérant l'exhumation des Alpes. Dans cette étude, nous avons employé le système de datation (U-TH)/He sur zircon, dont la température de fermeture de 200°C est suffisamment basse pour caractériser l'exhumation du Néogène sup. /Pliocène. Les échantillons proviennent du Lötschental et du tunnel ferroviaire le plus profond du monde (NEAT) situé dans la partie ouest du massif de l'Aar. Considérés dans l'ensemble, ces échantillons se répartissent sur un dénivelé de 3000m et des âges de 5.1 à 9.4 Ma. Les échantillons d'altitude supérieure (et donc plus vieux) documentent un taux d'exhumation de 0.4 km/Ma jusqu'à il y a 6 Ma, alors que les échantillons situés les plus bas ont des âges similaires allant de 6 à 5.4 Ma, donnant un taux jusqu'à 3km /Ma. Ces données montrent une accélération dramatique de l'exhumation du massif de l'Aar il y a 6 Ma. L'exhumation miocène sup. du massif prédate donc le changement climatique Pliocène. Cependant, lors de la crise de salinité d'il y a 6-5.3 Ma (Messinien), le niveau de la mer Méditerranée est descendu de 3km. Un tel abaissement de la surface d'érosion peut avoir accéléré l'exhumation des Alpes, mais le bassin sud alpin était trop loin du massif de l'Aar pour influencer son érosion. Nous arrivons à la conclusion que la datation (U-Th)/He permet de contraindre précisément la chronologie et l'exhumation du massif de l'Aar. Concernant la dualité tectonique-érosion, nous suggérons que, dans le cas du massif de l'Aar, la tectonique prédomine.

SOURCE, FATE AND FUNCTION OF EARLY GLIAL CELLS EXPRESSING NKX2.1 IN MOUSE EMBRYONIC BRAINS

The brain tissue is made of neuronal and glial cells generated in the germinal layer bordering the ventricles. These cells divide, differentiate and migrate following specific pathways. The specification of GABAergic interneurons and glutamatergic neurons has been broadly studied but little is known about the origin, the fate and the function of early glial cells in the embryonic telencephalon. It has been commonly accepted since long that the glial cells and more particularly the astrocytes were generated after neurogenesis from the dorsal telencephalon. However, our work shows that, unlike what was previously thought, numerous glial cells (astroglia and polydendrocytes) are generated during neurogenesis in the early embryonic stages from E14.5 to E16.5, and originate from the ventral Nkx2.1-expressing precursors instead. NK2 homeobox 1 (Nkx2.1) is a member of the NK2 family of homeodomaincontaining transcription factors. The specification of the MGE precursors requires the expression of the Nkx2.1 homeobox gene. Moreover, Nkx2.1 is previously known to regulate the specification of GABAergic interneurons and early oligodendrocytes in the ventral telencephalon. Here, in my thesis work, I have discovered that, in addition, Nkx2.1 also regulates astroglia and polydendrocytes differentiation. The use of Nkx2.1 antibody and Nkx2.1 riboprobe have revealed the presence of numerous Nkx2.1-positive cells that express astroglial markers (like GLAST and GFAP) in the entire embryonic brain. Thus, to selectively fate map MGE-derived GABAergic interneurons and glia, we crossed Nkx2.1-Cre mice, Glast-Cre ERT+/- inducible mice and NG2-Cre mice with the Cre reporter Rosa26-lox-STOP-lox-YFP (Rosa26-YFP) mice. The precise origin of Nkx2.1-positive astroglia has been directly ascertained by combining glial immunostaining and focal electroporation of the pCAG-GS-EGFP plasmids into the subpallial domains of organotypic slices, as well as, by using in vitro neurosphere experiments and in utero electroporation of the pCAG-GS-tomato plasmid into the ventral pallium of E14.5 Nkx2.1-Cre+/Rosa-YFP+/- embryos. We have, thus, confirmed that the three germinal regions of the ventral telencephalon i.e. the MGE, the AEP/POA and the triangular septal nucleus are able to generate early astroglial cells. Moreover, immunohistochemistry for several astroglial cells and polydendrocyte markers, both in the Nkx2.1-/- and control embryos and in the neurospheres, has revealed a severe loss of both glial cell types in the Nkx2.1 mutants. We found that the loss of glia corresponded to a decrease of Nkx2.1-derived precursor division capacity and glial differentiation. There was a drastic decrease of BrdU+ dividing cells labeled for Nkx2.1 in the MGE*, the POA* and the septal nucleus* of Nkx2.1 mutants. In addition, we noticed that while some remaining Nkx2.1+ precursors still succeeded to give rise to post-mitotic neurons in vitro and in vivo in the Nkx2.1-/-, they completely lost the capacity to differentiate in astrocytes. Altogether, these observations indicate for the first time that the transcription factor Nkx2.1 regulates the proliferation and differentiation of precursors in three subpallial domains that generate early embryonic astroglia and polydendrocytes. Furthermore, in order to investigate the potential function of these early Nkx2.1- derived glia, we have performed multiple immunohistochemical stainings on Nkx2.1-/- and wild-type animals, and Nkx2.1-Cre mice that were crossed to Rosa-DTA+/- mice in which the highly toxic diphtheria toxin aided to selectively deplete a majority of the Nkx2.1-derived cells. Interestingly, in these two mutants, we observed a drastic and significant loss of GFAP+, GLAST+, NG2+ and S100ß+ astroglial cells at the telencephalic midline and in the medial cortical areas. This cells loss could be directly correlated with severe axonal guidance defects observed in the corpus callosum (CC), the hippocampal commissure (HIC), the fornix (F) and the anterior commissure (AC). Axonal guidance is a key step allowing neurons to form specific connections and to become organized in a functional network. The contribution of guidepost cells inside the CC and the AC in mediating the growth of commissural axons have until now been attributed to specialized midline guidepost astroglia. Previous published results in our group have unravelled that, during embryonic development, the CC is populated in addition to astroglia by numerous glutamatergic and GABAergic guidepost neurons that are essential for the correct midline crossing of callosal axons. Therefore, the relative contribution of individual neuronal or glial populations towards the guidance of commissural axons remains largely to be investigated to understand guidance mechanisms further. Thus, we crossed Nkx2.1-Cre mice with NSE-DTA+/- mice that express the diphtheria toxin only in neurons and allowed us to selectively deplete Nkx2.1-derived GABAergic neurons. Interestingly, in the Nkx2.1-/- mice, the CC midline was totally disorganized and the callosal axons partly lost their orientation, whereas in the Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- and the Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice, the axonal organization of the CC was not affected. In the three types of mice, hippocampal axons of the fornix were not properly fasciculated and formed disoriented bundles through the septum. Additionally, the AC formation was completely absent in Nkx2.1-/- mice and the AC was divided into two/three separate paths in the Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- mice that project in wrong territories. On the other hand, the AC didn't form or was reduced to a relatively narrower tract in the Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice as compared to wild-type AC. These results clearly indicate that midline Nkx2.1-derived cells play a major role in commissural axons pathfinding and that both Nkx2.1-derived guidepost neurons and glia are necessary elements for the correct development of these commissures. Furthermore, during our investigations on Nkx2.1-/- and Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- mice, we noticed similar and severe defects in the erythrocytes distribution and the blood vessels network morphology in the embryonic brain of both mutants. As the Cre-mediated recombination was never observed to occur in the blood vessels of Nkx2.1-Cre mice, we inferred that the vessels defects observed were due to the loss of Nkx2.1-derived cells and not to the cells autonomous effects of Nkx2.1 in regulating endothelial cell precursors. Thereafter, the respective contribution of individual Nkx2.1-regulated neuronal or glial populations in the blood vessels network building were studied with the use of transgenic mice strains. Indeed, the use of Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice indicated that the Nkx2.1-derived neurons were not implicated in this process. Finally, to discriminate between the two Nkx2.1-derived glial cell populations, the GLAST+ astroglia and the NG2+ polydendrocytes, an NG2-Cre mouse strain crossed to the Rosa-DTA+/- mice was used. In that mutant, the blood vessel network and the erythrocytes distribution were similarly affected as observed in Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- animals. Therefore, this result indicates that most probably, the NG2+ polydendrocytes are involved in helping to build the vessels network in the brain. Taken altogether, these observations show that during brain development, Nkx2.1- derived embryonic glial cells act as guidepost cells on the guidance of axons as well as forming vessels. Both Nkx2.1-regulated guidepost GABAergic neurons and glia collaborate to guide growing commissural axons, while polydendrocytes are implicated in regulating brain angiogenesis. - Le tissu cérébral est composé de cellules neuronales et gliales générées dans les couches germinales qui bordent les ventricules. Ces cellules se divisent, se différencient et migrent selon des voies particulières. La spécification des interneurones GABAergiques et des neurones glutamatergiques a été largement étudiée, par contre, l'origine, le destin et la fonction des cellules gliales précoces du télencéphale embryonnaire restent peu élucidées. Depuis longtemps, il était communément accepté que les cellules gliales, et plus particulièrement les astrocytes, sont générés après la neurogénèse à partir du télencéphale dorsal. Toutefois, notre travail montre que de nombreuses cellules gliales sont générées à partir de précurseurs ventraux qui expriment le gène Nkx2.1, entre E14.5 et E16.5, c'est-à dire,à des stades embryonnaires très précoces. Le gène NK2 homéobox 1 (Nkx2.1) appartient à une famille de facteurs de transcription appelée NK2. Il s'agit de protéines qui contiennent un homéo-domaine. La spécification des précurseurs de la MGE requiert l'expression du gène homéobox Nkx2.1. De plus, la fonction du gène Nkx2.1 dans la régulation de la spécification des interneurones GABAergiques et des oligodendrocytes dans le télencéphale ventral était déjà connue. Au cours de mon travail de thèse, j'ai également mis en évidence que, Nkx2.1 régule aussi les étapes de prolifération et de différenciation de divers sous-types de cellules gliales soit de type astrocytes ou bien polydendrocytes. L'utilisation d'un anticorps contre la protéine Nkx2.1 ainsi qu'une sonde à ribonucléotides contre l'ARN messager du gène Nkx2.1 ont révélé la présence de nombreuses cellules positives pour Nkx2.1 qui exprimaient des marqueurs astrocytaires (comme GLAST et GFAP) dans le télencéphale embryonnaire. Afin de déterminer de manière sélective le sort des interneurones GABAergiques, des polydendrocytes et des astrocytes dérivés de la MGE, nous avons croisé soit des souris Nkx2.1-Cre, des souris Glast-Cre ERT+/- inductibles ou bien des souris NG2-Cre avec des souris Rosa26-lox-STOP-lox-YFP (Rosa26-YFP) Cre rapportrices. L'origine précise des astroglies positives pour Nkx2.1 a été directement établie en combinant une coloration immunologique pour les glies et une électroporation focale d'un plasmide pCAG-GS-EGFP dans les domaines subpalliaux de tranches organotypiques, puis également, par des cultures de neurosphères in vitro et des expériences d'électroporation in utero d'un plasmide pCAG-GS-tomato dans le pallium ventral d'embryons Nkx2.1-Cre+/Rosa- YFP+/- au stade E14.5. Nous avons donc confirmé que les trois régions germinales du télencéphale ventral, c'est-à-dire, la MGE, l'AEP/POA et le noyau triangulaire septal sont capables de générer des cellules astrogliales. D'autre part, l'immunohistochimie pour plusieurs marqueurs d'astrocytes ou de polydendrocytes, dans les embryons Nkx2.1-/- et contrôles ainsi que dans les neurosphères, a révélé une sévère perte de ces deux types gliaux chez les mutants. Nous avons trouvé que la perte de glies correspondait à une diminution de la capacité de division des précurseurs dérivés de Nkx2.1, ainsi que l'incapacité de ces précurseurs de se différencier en cellules gliales. Nous avons en effet observé une diminution importante des cellules BrdU+ en division exprimant Nkx2.1dans la MGE*, la POA* et le noyau septal* des mutants pour Nkx2.1. D'autre part, nous avons pu mettre en évidence aussi bien in vitro, qu'in vivo, que certains précurseurs Nkx2.1+ chez le mutant gardent la capacité à se différencier en neurones tandis qu'ils perdent celle de se différencier en cellules gliales. Prises dans leur ensemble, ces observations indiquent pour la première fois que le facteur de transcription Nkx2.1 régule les étapes de prolifération et de différentiation des précurseurs des trois domaines subpalliaux qui génèrent les astroglies et polydendrocytes embryonnaires précoces. Par la suite, dans le but de comprendre la fonction potentielle de ces glies précoces, nous avons procédé à de multiples colorations immunohistochimiques sur des animaux Nkx2.1-/- et sauvages, ainsi que sur des souris Nkx2.1-Cre croisées à des souris Rosa-DTA+/- dans lesquelles la toxine diphthérique hautement toxique a permis de supprimer sélectivement la majorité des cellules dérivées de Nkx2.1. De manière intéressante, nous avons observé dans ces deux mutants, une perte drastique et significative de cellules astrogliales GFAP+, GLAST+ et polydendrocytaires NG2+ et S100ß+ dans le télencéphale, à la midline et dans les aires corticales médianes. Ces pertes ont pu être directement corrélées avec des défauts de guidage axonal observés dans le corps calleux (CC), la commissure hippocampique (HIC), le fornix (F) et la commissure antérieure (AC). Le guidage axonal est une étape clé permettant aux neurones de former des connections spécifiques et de s'organiser dans un réseau fonctionnel. La contribution des cellules « guidepost » dans le CC et dans la AC comme médiateurs de la croissance des axones commissuraux à jusqu'à aujourd'hui été attribuée spécifiquement à des astroglies « guidepost » de la midline. Des résultats publiés précédemment dans notre groupe, ont permis de montrer que, pendant le développement embryonnaire, le CC est peuplé en plus de la glie par de nombreux neurones « guidepost » glutamatergiques et GABAergiques qui sont essentiels pour le croisement correct des axones callosaux à la midline. Ainsi, la contribution relative des populations individuelles neuronales ou gliales pour le guidage des axones commissuraux demande à être approfondie afin de mieux comprendre les mécanismes de guidage. A ces fins, nous avons croisé des souris Nkx2.1-Cre avec des souris NSE-DTA+/- qui expriment la toxine diphthérique uniquement dans les neurones et ainsi, nous avons pu sélectivement supprimer les neurones dérivés de domaines Nkx2.1+. Dans les souris Nkx2.1-/-,nous avons découvert que le CC était désorganisé avec des axones callosaux perdant partiellement leur orientation, alors que dans les souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- et Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/-, l'organisation axonale n'était pas affectée. De plus, les faisceaux hippocampiques du fornix étaient défasciculés dans les trois types de mutants. Par ailleurs, la formation de la commissure antérieure (AC) était complètement absente dans les souris Nkx2.1-/- d'une part, et d'autre part, celle-ci était divisée en deux à trois voies séparées dans les souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-. Finalement, la AC était soit absente, soit réduite de manière ne former plus qu'un faisceau relativement plus étroit dans les souris Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- en comparaison avec la AC sauvage. Ces derniers résultats indiquent clairement que les cellules dérivées de Nkx2.1 à la midline, jouent un rôle majeur dans le guidage des axones commissuraux et que, autant les neurones, que les astrocytes « guidepost » dérivés de Nkx2.1, sont des éléments nécessaires au développement correct de ces commissures. En outre, lors de nos investigations sur les souris Nkx2.1-/- et Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-, nous avons remarqués des défauts sévères et similaires dans la distribution des erythrocytes et dans la morphologie du réseau de vaisseaux sanguins dans le cerveau embryonnaire des deux mutants précités. Puisque nous n'avons jamais observé de recombinaison de la Cre recombinase dans les vaisseaux sanguins des souris Nkx2.1Cre, nous en avons déduit que les défauts de vaisseaux observés étaient dus à la perte de cellules dérivées de Nkx2.1. Il existerait donc en plus de la fonction cellulaire autonome de Nkx2.1 reconnue pour régulée directement la spécification des cellules endothéliales, une fonction indirecte de Nkx2.1. Afin de déterminer la contribution respective des populations individuelles neuronales ou gliales régulées par Nkx2.1 dans la construction du réseau de vaisseaux sanguins, nous avons utilisé diverses lignées de souris transgéniques. L'utilisation de souris Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- a indiqué que les neurones dérivés de Nkx2.1 n'étaient pas impliqués dans ce processus. Finalement, afin de discriminer entre les deux populations de cellules gliales dérivées de Nkx2.1, les astroglies et les polydendrocytes, nous avons croisé une lignée de souris NG2-Cre avec des souris Rosa-DTA+/-. Dans ce dernier mutant, le réseau de vaisseaux sanguins du cortex ainsi que la distribution des erythrocytes étaient affectés de la même manière que dans le cortex des souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-. Par conséquent, ce résultat indique que très probablement, les polydendrocytes NG2+ sont impliqués dans la mise en place du réseau de vaisseaux dans le cerveau. Prises dans leur ensemble, ces observations montrent que durant le développement embryonnaire du cerveau, des sous-populations de glies régulées par Nkx2.1 jouent un rôle de cellules « guidepost » dans le guidage des axones, ainsi que des vaisseaux. Les polydendrocytes sont impliquées dans la régulation de l'angiogenèse tandis que, autant les neurones GABAergiques que les astrocytes collaborent dans le guidage des axones commissuraux en croissance.

Distinct neuronal circuits underlying the bahavioral and physiological components of the fear response

Abstract : Expression of fear involves changes in a number of behavioral and physiological parameters that are triggered by the central amygdala (CeA). The fear circuit also includes a series of brain stem nuclei that are the final effectors of the changes induced by the fear reaction. The CeA expresses many different neuropeptide receptors that can modulate fear responses. Today, the precise organization and the modulation of projections from the amygdala to the brain stem are still poorly understood. The aim of this project was to better understand the organization and the modulation of the fear circuit. To investigate this we first determined whether the CeA is composed of separate neuronal populations, where each one projects to specific brain stem nuclei, or whether single CeA neurons project to several nuclei. For this purpose, we first selected two brain stem nuclei implicated in the modulation of different components of the fear reactions, the periaqueductal gray (implicated in freezing) and the nucleus of solitary tract (implicated in heart rate modulation). We then performed double injections of two different retrograde tracers in these two nuclei and we quantified the subsequent presence of co-labelling in the CeA. We found that neurons projecting to the PAG and to the NTS are organized in separate populations. Subsequent electrophysiological recordings of the two populations revealed that PAG and NTS projecting neurons also have different electrophysiological characteristics. We then verified in vitro whether the neurons projecting to different brain stem nuclei express specific combinations of neuropeptide receptors, and whether a neuropeptide acting pre-synaptically (oxytocin) specifically modulates one of these two projections. We did not find differences at the level of expression of neurópeptide receptors, but we observed that oxytocin, a neuropeptide with anxiolytic properties, modulates PAG projecting neurons without affecting NTS projecting neurons. As oxytocin appeared to specifically modulate projections to the PAG, involved in the modulation of the freezing reaction, but did not affect the projections to the NTS, implicated in the modulation of cardiovascular parameters, we verified how this modulation translates in living animals. We investigated the effects of infra-amygdala injection of oxytocin on cardiovascular and behavioral changes induced by contextual fear conditioning. We found that oxytocin decreased the freezing response without affecting the cardiovascular system. Finally, as neuropeptides are considered potential future anxiolytics, we investigated whether diazepam and oxytocin, acting on the same circuit, had additive effects. This question was addressed exclusively with an in vitro electrophysiological approach. We obtained that oxytocin and diazepam, when co-applied, had an additive effect on both synaptic transmission and neuronal activity. These results open new perspectives for the possible clinical applications of oxytocin. Résumé : L'expression de la peur est accompagnée par de nombreux changements physiologiques et comportementaux qui sont déclenchés par l'amygdale centrale (CeA). Le circuit inclue aussi une série de noyaux du tronc cérébrale qui sont les effecteurs des différentes composantes de la réaction de peur. On sait que CeA envoie des projections aux noyaux du tronc cérébral et que ces neurones expriment une grande variété de récepteurs aux neuropeptides. Par contre, l'organisation des projections, ainsi que la modulation de ces projections par les neuropeptides reste encore peu connue. Avec ce projet, on premièrement voulu déterminer si CeA est composée de populations neuronales séparées qui projettent vers un noyau spécifique, ou bien si chaque neurones envoie des projections vers plusieurs noyaux. A ce propos, on a effectué des doubles injections de deux traceurs rétrogrades différentes dans deux noyaux du tronc cérébral impliqués dans des différentes composantes des réactions de peur. On a injecté la substance grise périaqueducale (PAG), qui est impliquée dans la réponse d'immobilisation, ainsi que le noyau du tractus solitaire (NTS) qui est responsable des changements cardiovasculaires. On a ensuite quantifié la présence de neurones contenant les deux traceurs dans CeA. On a trouvé que la plupart des neurones de l'amygdale centrale projettent vers un noyau spécifique, et on peut donc dire que l'amygdale semble être composée de populations neuronales séparées. On a ensuite mesuré les caractéristiques électrophysiologiques de ces deux projections et on a trouvé des différences substantielles concernant la résistance membranaire, la capacitance, le potentiel membranaire de repos ainsi que la fréquence des potentiels d'action spontanés. Puis, comme beaucoup de neuropéptides dans l'amygdale exercent un effet modulatoire sûr les réactions de peur et sur l'anxiété, on a étudié les effets directs et indirects d'une série de neuropeptides sur les différentes projections pour évaluer s'il y a des neuropeptides qui agissent spécifiquement sur une. On n'a pas trouvé de différences entre neurones qui projettent vers le PAG et neurones qui projettent vers le NTS concernant les effets de neuropeptides qui agissent directement sur ces cellules. Par contre, on a trouvé que l'ocytocine, un neuropeptide qui se lie à des récepteurs dans la partie latérale de l'amygdale centrale et inhibe de façon indirecte les neurones de l'amygdala centrale médiale, module les projections vers le PAG sans affecter celles qui vont vers le NTS. Comme le PAG est impliqué dans la réponse d'immobilisation, alors que le NTS est impliqué dans la modulation cardiovasculaire, on a ensuite étudié les effets de l'ocytocine injectée dans l'amygdale de rat vivants sur les réactions de peur conditionnées. On a trouvé que l'ocytocine diminue la réponse d'immobilisation sans par contre affecter la réponse cardiovasculaire. Pour terminer, on a vérifié si l'ocytocine potentialise les effets d'un médicament anxiolytique, le diazeparn. Avec une étude in vitro on a trouvé qu'une co-application d'ocytocine et diazeparn résulte en un effet additionnel à la fois sur la transmission synaptique ainsi que sur l'activité neuronale des neurones de l'amygdale centrale médiale. Ces résultats ouvrent des nouvelles perspectives pour une potentielle utilisation clinique de l'ocytocine.

Combining MAR elements and transposable vectors for more reliable transgene integration and expression

Integration without cytotoxic effects and long-term expression of a transgene constitutes a major challenge in gene therapy and biotechnology applications. In this context, transposons represent an attractive system for gene transfer because of their ability to promote efficient integration of a transgene in a variety of cell lines. However, the transgene integration can lead to insertional mutagenesis and/or unstable transgene expression by epigenetic modifications. These unwanted events may be limited by the use of chromatin control elements called MARs (matrix attachment regions). Indeed, the insertion of these DNA elements next to the transgene usually results in higher and more stable expression by maintaining transgene chromatin in an active configuration and preventing gene silencing. In this study, we tested if the inclusion of the MAR 1-68 in the piggyBac transposon system may lead to efficient and safer transgene integration and ensure reliable stable and long-term expression of a transgene. The MAR-containing transposon construct was tested in CHO cells, for biotechnology applications, and in mesoangioblast cells that can differentiate into muscle cells and are important candidates for potential stem cell therapies of myopathies. We showed that the addition of the MAR 1 -68 in the piggyBac transposon did not interfere with transposition, thereby maintaining high frequency of transgene integrations in these cells. Moreover, the MAR allowed higher transgene expression from fewer transposon integration events. We also found that enriched transgene-expressing cell populations could be obtained without the need of selection pressure. Since antibiotic-enforced selection protocols often result in a higher integrated copy number and mosaic expression patterns, this strategy could benefit many applications in which a low copy number of integrated transgenes and antibiotic-free conditions are desired. In addition, the intramuscular transplantation of mouse tibialis anterior muscles with mesoangioblasts containing the transposon led to widespread and sustained myofiber transgene expression after differentiation of these cells in vivo. These findings indicated that piggyBac vectors may provide a viable approach to achieve stable gene transfer in the context of Duchenne muscular dystrophy therapy. - L'intégration sans effets cytotoxiques et l'expression à long terme d'un transgène constituent un défi majeur en thérapie génique et en biotechnologie. Dans ce contexte, les transposons représentent un système attrayant pour le transfert de gènes en raison de leur capacité à promouvoir l'intégration efficace d'un transgène dans une variété de lignées cellulaires. Toutefois, l'intégration d'un transgène peut conduire à une mutagénèse insertionnelle et/ou à une expression instable due au silençage du transgène suite à des modifications épigénétiques. Ces événements indésirables de silençage génique peuvent être diminués par l'utilisation d'éléments de contrôle de la chromatine appelés MAR (matrix attachment region). En effet, l'insertion de ces éléments d'ADN à proximité du transgène se traduit généralement par une expression plus élevée et plus stable de celui-ci, en permettant le maintien d'une chromatine dans une configuration active autour du transgène et en empêchant l'inactivation du gène. Dans cette étude, nous avons testé si l'inclusion du MAR 1-68 dans le système transposon piggyBac peut améliorer l'efficacité d'intégration de façon sécuritaire et l'expression à long terme d'un transgène. Le transposon contenant l'élément MAR a été testé dans les cellules CHO, couramment utilisées en biotechnologie, et dans des cellules progénitrices appelées mésoangioblastes, qui peuvent se différencier en cellules musculaires, et qui constituent ainsi des candidats prometteurs pour la thérapie à partir de cellules souches de patients souffrant de myopathie. Nous avons montré que l'addition du MAR 1-68 dans le transposon piggyBac n'interfère pas avec la transposition et permet de maintenir une fréquence élevée d'intégration du transgène dans ces deux types cellulaires. De plus, il semble que cette association mène à une meilleure expression du transgène à partir de peu d'événements d'intégration du transposon. En outre, ces populations enrichies en cellules exprimant de façon stable le transgène ont pu être obtenues sans avoir recours à une pression de sélection. Etant donné que les protocoles de sélection basée sur l'utilisation d'antibiotiques conduisent souvent à un nombre plus élevé de copies intégrées et à la variégation de l'expression du transgène et qu'ils impliquent une longue culture in vitro, cette stratégie pourrait profiter à des applications pour lesquelles on souhaite un faible nombre de copies intégrées et/ou l'utilisation d'antibiotiques n'est pas souhaitable. De plus, la transplantation intramusculaire de mésoangioblastes contenant le transposon dans le muscle tibial antérieur de souris a conduit, après la différentiation de ces cellules in vivo, à une expression constante et étendue du transgène dans les myofibres. Ces résultats indiquent que les vecteurs piggyBac pourraient fournir une approche viable pour assurer un transfert de gènes stables dans le contexte d'un traitement de la dystrophic musculaire de Duchenne.

Caractéristiques cliniques des leucémies lymphoblastiques aiguës de type T immature (E-rosette négatif) détecté par l'anticorps monoclonal LAU-A1 [Clinical characteristics of immature T-type (negative E-rosette) acute lymphoblastic leukemia detected by LAU-A1 monoclonal antibody]

Immature T-ALL is a newly defined subgroup of ALL in which the blasts lack the receptor for sheep erythrocytes (ER) and the usual T-cell markers, but express the 40 kDa pan-T surface antigen recognized by our monoclonal antibody LAU-A1. Patients with immature T-ALL represent 10% of all cases of adult ALL. Leukocyte counts are lower and spleen, liver and lymph node enlargement is less prominent, but mediastinal enlargement is more frequent than in mature (ER-positive) T-ALL. 7 patients with immature T-ALL (median age 42 years, range 13-73) were treated with intensified chemotherapy regimens, and only one 47-year-old female entered a short-lived complete remission. The overall survival of our patients was poor (median 7.5 months, with only one patient surviving at 15 months) and seemed not to be influenced by age. Our study indicates that immature T-ALL can only be accurately identified by the use of monoclonal antibodies recognizing the 40 kDa pan-T antigen, and that immature T-ALL is a separate disease entity typified by a poor prognosis.

Single loci with major effects in fire ants : the effects of the complementary sex-determining locus and the green beard supergene on gene expression

Etant données la complexité et la redondance des réseaux de gènes influençant de nombreux phénotypes, l'étude des rares cas d'un locus unique ayant des effets importants sur de nombreux phénotypes peut fournir des informations cruciales sur l'évolution des traits complexes. Nous avons séquencé le génome de la fourmi de feu Solenopsis invicta pour étudier comment l'expression des gènes détermine les effets majeurs et étendus de deux loci uniques sur le phénotype. Le premier locus concerne la détermination du sexe par le modèle des allèles complémentaires. Ce locus est connu pour déterminer le sexe chez tous les hyménoptères mais n'a été caractérisé que chez les abeilles. Les hétérozygotes pour ce locus se développent en reines diploïdes (ou ouvrières stériles) alors que les homozygotes se développent en mâles diploïdes incapables de produire du sperme et les hémizygotes en mâles haploïdes fertiles. Nous avons comparé l'expression des gènes entre les reines et les deux types de mâles au stade pupe, ainsi que 1 et 11 jours après l'émergence. Nous avons trouvé un changement prononcé de l'expression des gènes chez les mâles diploïdes, passant de très proche de celle des reines au stade pupe à identique aux mâles haploïdes 11 jours après l'émergence. Cela signifie que les mâles diploïdes sont condamnés à être stériles parce que les effets après émergence du locus de détermination du sexe ne per¬mettent pas d'effacer les effets de la ploïdie sur l'expression des gènes pendant le stade pupe, quand la spermatogénèse prend place. Le second locus aux effets majeurs que nous avons étudié est le supergène dit "green beard", qui consiste en 616 gènes couvrant 55% d'un chromosome (13 Mb) et est caractérisé par une absence de recombinaison entre les deux variants du supergène : "Social B" et "Social b" (SB et Sb). Au travers de l'effet "green beard", par lequel les ouvrières avec le supergène Sb discriminent favorablement les reines qui partagent ce supergène de façon perceptible, le génotype des reines fondatrices au niveau de ce supergène détermine l'organisation de la colonie : soit elle contient une seule reine SB/SB, soit plusieurs reines SB/Sb. Nous avons montré que le chromosome Sb a évolué comme le chromosome Y, accumulant probablement des allèles favorables dans des colonies avec plusieurs reines mais défavorables dans des colonies avec une seule reine (cf. gènes sexuellement antagonistes), ainsi que des transposons et des séquences répéti¬tives. Nous avons également montré que le polymorphisme du supergène cause de grandes différences d'expression chez les ouvrières et particulièrement les reines mais pas chez les mâles. Pour comprendre comment le polymorphisme du supergène chez les reines peut affecter l'organisation de la colonie, nous avons comparé l'expression entre les génotypes SB/SB et SB/Sb chez des reines vierges (1 et 11 jours) et des reines matures. Nous avons montré que les reines SB/SB sur-régulent des gènes impliqués dans la reproduction, expli-quant pourquoi elle grandissent plus rapidement et peuvent fonder des colonies de façon indépendante, tandis que les reines SB/Sb (qui ne peuvent fonder une nouvelle colonie) sur-régulent des gènes de signalement chimique qui affectent l'organisation des colonies par l'effet "green beard". - Given the complexity and redundancy of the gene networks that underlie many pheno- types, the study of rare cases of a single locus having major effects on many phenotypes can give powerful insights into the evolution of complex traits. We sequenced the genome of Solenopsis invicta fire ants to study how gene expression mediates the widespread major effects of two single loci on phenotype. The first is the complementary sex-determining locus, which is known to exist in most Hymenoptera despite being characterized only for honeybees. Heterozygotes at this locus become diploid queens (or sterile workers), homozy¬gotes become aspermic diploid males, and hemizygotes become fertile haploid males. We compared gene expression between queens and both types of males in pupae and 1 and 11 days after eclosion. We found a pronounced shift in gene expression in diploid males, from being nearly identical to queens as pupae to identical to haploid males 11 days after eclosion. This means that diploid males are condemned to sterility because the overriding effects of the sex locus after eclosion cannot undo the ploidy effects on expression during the pupal stage, when spermatogenesis must be completed. The second locus with major ef¬fects that we studied was the so-called "green beard" supergene, which consists of 616 genes encompassing 55% of one chromosome (13 Mb), without recombination between the two variants "Social B" and "Social b" (SB and Sb) supergene. Through the green beard effect, i.e. workers with the Sb supergene discriminating in favor of queens who perceptibly share this supergene, the founding queen's genotype at the supergene determines colony organi¬zation: either headed by a single SB/SB queen or many SB/Sb queens. We show that the Sb chromosome evolved like a Y-chromosome, probably accumulating alleles beneficial in multi-queen colonies but disadvantageous in single-queen colonies (cf. sexually antagonistic genes), as well as transposons and repetitive sequences. We also show that the polymor¬phism of the supergene causes widespread expression differences in workers and especially queens but not in males. To understand how the polymorphism at the supergene in queen can transform colony organization, we compared the expression between SB/SB and SB/Sb virgin queens (1 and 11 days) and mother queens. We show that SB/SB queens up-regulate genes involved in reproduction, explaining why they mature faster and can found colonies independently, while SB/Sb queens (which cannot found colonies) up-regulate chemical signaling genes that can transform colonies through the green beard effect.