Development of metabolic labeling strategies to study changes in protein expression

Résumé : Les progrès techniques de la spectrométrie de masse (MS) ont contribué au récent développement de la protéomique. Cette technique peut actuellement détecter, identifier et quantifier des milliers de protéines. Toutefois, elle n'est pas encore assez puissante pour fournir une analyse complète des modifications du protéome corrélées à des phénomènes biologiques. Notre objectif était le développement d'une nouvelle stratégie pour la détection spécifique et la quantification des variations du protéome, basée sur la mesure de la synthèse des protéines plutôt que sur celle de la quantité de protéines totale. Pour cela, nous volions associer le marquage pulsé des protéines par des isotopes stables avec une méthode d'acquisition MS basée sur le balayage des ions précurseurs (precursor ion scan, ou PIS), afin de détecter spécifiquement les protéines ayant intégré les isotopes et d'estimer leur abondance par rapport aux protéines non marquées. Une telle approche peut identifier les protéines avec les plus hauts taux de synthèse dans une période de temps donnée, y compris les protéines dont l'expression augmente spécifiquement suite à un événement précis. Nous avons tout d'abord testé différents acides aminés marqués en combinaison avec des méthodes PIS spécifiques. Ces essais ont permis la détection spécifique des protéines marquées. Cependant, en raison des limitations instrumentales du spectromètre de masse utilisé pour les méthodes PIS, la sensibilité de cette approche s'est révélée être inférieure à une analyse non ciblée réalisée sur un instrument plus récent (Chapitre 2.1). Toutefois, pour l'analyse différentielle de deux milieux de culture conditionnés par des cellules cancéreuses humaines, nous avons utilisé le marquage métabolique pour distinguer les protéines d'origine cellulaire des protéines non marquées du sérum présentes dans les milieux de culture (Chapitre 2.2). Parallèlement, nous avons développé une nouvelle méthode de quantification nommée IBIS, qui utilise des paires d'isotopes stables d'acides aminés capables de produire des ions spécifiques qui peuvent être utilisés pour la quantification relative. La méthode IBIS a été appliquée à l'analyse de deux lignées cellulaires cancéreuses complètement marquées, mais de manière différenciée, par des paires d'acides aminés (Chapitre 2.3). Ensuite, conformément à l'objectif initial de cette thèse, nous avons utilisé une variante pulsée de l'IBIS pour détecter des modifications du protéome dans des cellules HeLa infectée par le virus humain Herpes Simplex-1 (Chapitre 2.4). Ce virus réprime la synthèse des protéines des cellules hôtes afin d'exploiter leur mécanisme de traduction pour la production massive de virions. Comme prévu, de hauts taux de synthèse ont été mesurés pour les protéines virales détectées, attestant de leur haut niveau d'expression. Nous avons de plus identifié un certain nombre de protéines humaines dont le rapport de synthèse et de dégradation (S/D) a été modifié par l'infection virale, ce qui peut donner des indications sur les stratégies utilisées par les virus pour détourner la machinerie cellulaire. En conclusion, nous avons montré dans ce travail que le marquage métabolique peut être employé de façon non conventionnelle pour étudier des dimensions peu explorées en protéomique. Summary : In recent years major technical advancements greatly supported the development of mass spectrometry (MS)-based proteomics. Currently, this technique can efficiently detect, identify and quantify thousands of proteins. However, it is not yet sufficiently powerful to provide a comprehensive analysis of the proteome changes correlated with biological phenomena. The aim of our project was the development of ~a new strategy for the specific detection and quantification of proteomé variations based on measurements of protein synthesis rather than total protein amounts. The rationale for this approach was that changes in protein synthesis more closely reflect dynamic cellular responses than changes in total protein concentrations. Our starting idea was to couple "pulsed" stable-isotope labeling of proteins with a specific MS acquisition method based on precursor ion scan (PIS), to specifically detect proteins that incorporated the label and to simultaneously estimate their abundance, relative to the unlabeled protein isoform. Such approach could highlight proteins with the highest synthesis rate in a given time frame, including proteins specifically up-regulated by a given biological stimulus. As a first step, we tested different isotope-labeled amino acids in combination with dedicated PIS methods and showed that this leads to specific detection of labeled proteins. Sensitivity, however, turned out to be lower than an untargeted analysis run on a more recent instrument, due to MS hardware limitations (Chapter 2.1). We next used metabolic labeling to distinguish the proteins of cellular origin from a high background of unlabeled (serum) proteins, for the differential analysis of two serum-containing culture media conditioned by labeled human cancer cells (Chapter 2.2). As a parallel project we developed a new quantification method (named ISIS), which uses pairs of stable-isotope labeled amino acids able to produce specific reporter ions, which can be used for relative quantification. The ISIS method was applied to the analysis of two fully, yet differentially labeled cancer cell lines, as described in Chapter 2.3. Next, in line with the original purpose of this thesis, we used a "pulsed" variant of ISIS to detect proteome changes in HeLa cells after the infection with human Herpes Simplex Virus-1 (Chapter 2.4). This virus is known to repress the synthesis of host cell proteins to exploit the translation machinery for the massive production of virions. As expected, high synthesis rates were measured for the detected viral proteins, confirming their up-regulation. Moreover, we identified a number of human proteins whose synthesis/degradation ratio (S/D) was affected by the viral infection and which could provide clues on the strategies used by the virus to hijack the cellular machinery. Overall, in this work, we showed that metabolic labeling can be employed in alternative ways to investigate poorly explored dimensions in proteomics.

Dibenzofuran degradation by Sphingomonas wittichii RW1 under environmental stresses

Sphingomonas wittichii is a gram-negative Alpha-proteobacterium, capable of degrading xenobiotic compounds such as dibenzofuran (DBF), dibenzo-p-dioxin, carbazole, 2-hydroxybiphenyl or nitro diphenyl ether herbicides. The metabolism of strain RW1 has been the subject of previous studies and a number of genes involved in DBF degradation have been characterized. It is known that RW1 posseses a unique initial DBF dioxygenase (encoded by the dxnAl gene) that catalyzes the first step in the degradation pathway. None of the organisms known to be able to degrade DBF have a similar dioxygenase, the closest match being the DBF dioxygenase from Rhodococcus sp. with an overall amino acid similarity of 45%. Genes participating in the conversion of the metabolite salicylate via the ortho-cleavage pathway to TCA cycle intermediates were identified as well. Apart from this scarce information, however, there is a lack of global knowledge on the genes that are involved in DBF degradation by strain RW1 and the influence of environmental stresses on DBF-dependent global gene expression. A global analysis is necessary, because it may help to better understand the behaviour of the strain under field conditions and suggest improvements for the current bioaugmentation practice. Chapter 2 describes the results of whole-genome analysis to characterize the genes involved in DBF degradation by RW1. Micro-array analysis allowed us to detect differences in gene transcription when strain RW1 was exposed to DBF. This was complemented by ultra-high throughput sequencing of mutants no longer capable of growing on salicylate and DBF. Some of the genes of the ortho-cleavage pathway were induced 2 to 4 times in the presence of DBF, as well as the initial DBF dioxygenase. However two gene clusters, named 4925 and 5102 were induced up to 19 times in response to DBF induction. The cluster 4925 is putatively participating in a meta-cleavage pathway while the cluster 5102 might be part of a gentisate pathway. The three pathways, ortho-cleavage, meta-cleavage and gentisate pathway seem to be active in parallel when strain RW1 is exposed to DBF, presenting evidence for a redundancy of genes for DBF degradation in the genome of RW1. Chapter 3 focuses on exploiting genetic tools to construct bioreporters representative for DBF degradation in RW1. A set of basic tools for genetic manipulation in Sphingomonas wittichii RW1 was tested and optimized. Both plasmids and mini-transposons were evaluated for their ability to be maintained in RW1 with or without antibiotic selection pressure, and for their ability to lead to fluorescent protein expression in strain RW1 from a constitutive promoter. Putative promoter regions of three of the previously found DBF-induced genes (Swit_4925, Swit_5102 and Swit_4897-dxnAl) were then used to construct eg/^-bioreporters in RW1. Chapter 4 describes the use of the constructed RW1-based bioreporter strains for examining the expression of the DBF degradation pathway genes under microcosm conditions. The bioreporter strains were first exposed to different carbon sources in liquid culture to calibrate the egfp induction. Contrary to our expectations from micro-array analysis only the construct with the promoter from gene cluster 4925 responded to DBF, whereas the other two constructs did not show specific induction with DBF. The response from the bioreporters was subsequently tested for sensitivity to water stress, given that this could have an important impact in soils. Exposure to liquid cultures with decreasing water potential, achieved by NaCl or PEG addition to the growth media, showed that eGFP expression in RW1 from the promoter regions 4925 and 5102 was not directly influenced by water stress, but only through an overall reduction in growth rate. In contrast, expression of eGFP from the dxnAl or an uspA promoter was also directly dependent on the extent of water stress. The RW1 with the 4925 construct was subsequently used in soil microcosms to evaluate DBF bioavailability to the cells in presence or absence of native microbiota or other contaminated material. We found that RW1 could grow on DBF added to soil, but bioreporter expression suggested that competition with native microbiota for DBF intermediates may limit its ability to proliferate to a maximum. Chapter 5 describes the results from the experiments carried out to more specifically detect genes of RW1 that might be implicated in water stress resistance. Hereto we created transposon mutagenesis libraries in RW1, either with a classical mini-Tn5 or with a variant that would express egfp when the transposon would insert in a gene induced under water stress. Classical mutant libraries were screened by replica plating under high and low water stress conditions (achieved by adding NaCl to the agar medium). In addition, we screened for smaller microcolonies formed by mutants in agarose beads that could be analized with flow cytometry. A number of mutants impaired to grow on NaCl-supplemented media were recovered and the transposon insertion sites sequenced. In a second procedure we screened by flow cytometry for mutants with a higher eGFP production after exposure to growth medium with higher NaCl concentrations. Mutants from both libraries rarely overlapped. Discovered gene functions of the transposon insertions pointed to compatible solute synthesis (glutamate and proline), cell membrane synthesis and modification of cell membrane composition. The results obtained in the present study give us a more complete picture of the mechanisms of DBF degradation by S. wittichii RW1, how it reacts to different DBF availability and how the DBF catabolic activity may be affected by the conditions found in contaminated environments. - Sphingomonas wittichii est une alpha-protéobactérie gram-négative, capable de dégrader des composés xénobiotiques tels que le dibenzofurane (DBF), la dibenzo-p-dioxine, le carbazole, le 2-hydroxybiphényle ou les herbicides dérivés du nitro-diphényléther. Le métabolisme de la souche RW1 a fait l'objet d'études antérieures et un certain nombre de gènes impliqués dans la dégradation du DBF ont été caractérisés. Il est connu que RW1 possède une unique dioxygénase DBF initiale (codée par le gène dxnAl) qui catalyse la première étape de la voie de dégradation. Aucun des organismes connus pour être capables de dégrader le DBF n'a de dioxygénase similaire. L'enzyme la plus proche étant la DBF dioxygénase de Rhodococcus sp. avec 45% d'acides aminés conservés. Les gènes qui participent à la transformation du salicylate en métabolites intermédiaires du cycle de Krebs par la voie ort/io-cleavage ont aussi été identifiés. Outre ces informations lacunaires, il y a un manque de connaissances sur l'ensemble des gènes impliqués dans la dégradation du DBF par la souche RW1 ainsi que l'effet des stress environnementaux sur l'expression génétique globale, en présence du DBF. Une analyse globale est nécessaire, car elle peut aider à mieux comprendre le comportement de la souche dans les conditions de terrain et de proposer des améliorations pour l'utilisation de la bio-augmentation comme technique de bio-remédiation. Le chapitre 2 décrit les résultats de l'analyse du génome pour caractériser les gènes impliqués dans la dégradation du DBF par RW1. Une analyse de micro-arrays nous a permis de détecter des différences dans la transcription des gènes lorsque la souche RW1 a été exposée au DBF. L'analyse a été complétée par le criblage à ultra-haut débit de mutants qui n'étaient plus capables de croître avec le salicylate ou le DBF comme seule source de carbone. Certains des gènes de la voie ortho-cleavage, dont la DBF dioxygénase initiale, ont xî été induits 2 à 4 fois, en présence du DBF. Cependant, deux groupes de gènes, nommés 4925 et 5102 ont été induits jusqu'à 19 fois en réponse au DBF. Le cluster 4925 participe probablement dans une voie de meta-cleavage tandis que le cluster 5102 pourrait faire partie d'une voie du gentisate. Les trois voies, ortho-cleavage, meta-cleavage et la voie du gentisate semblent être activées en parallèle lorsque la souche RW1 est exposée au DBF, ce qui représente une redondance de voies pour la dégradation du DBF dans le génome de RW1. Le chapitre 3 se concentre sur l'exploitation des outils génétiques pour la construction de biorapporteurs de la dégradation du DBF par RW1. Un ensemble d'outils de base pour la manipulation génétique dans Sphingomonas wittichii RW1 a été testé et optimisé. Deux plasmides et mini-transposons ont été évalués pour leur capacité à être maintenu dans RW1 avec ou sans pression de sélection par des antibiotiques, et pour leur capacité à exprimer la protéine fluorescente verte (eGFP) dans la souche RW1. Les trois promoteurs des gènes Swit_4925, Swit_5102 et Swit_4897 (dxnAl), induits en réponse au DBF, ont ensuite été utilisés pour construire des biorapporteurs dans RW1. Le chapitre 4 décrit l'utilisation des souches biorapportrices construites pour l'analyse de l'expression des gènes de la voie de dégradation du DBF dans des microcosmes avec différents types de sols. Les souches biorapportrices ont d'abord été exposées à différentes sources de carbone en cultures liquides afin de calibrer l'induction de la eGFP. La construction avec le promoteur du gène 4925 a permis une réponse au DBF. Mais contrairement à nos attentes, basées sur les résultats de l'analyse des micro-arrays, les deux autres constructions n'ont pas montré d'induction spécifique au DBF. La réponse des biorapporteurs a ensuite été testée pour la sensibilité au stress hydrique, étant donné que cela pourrait avoir un impact important dans les microcosmes. La diminution du potentiel hydrique en culture liquide est obtenue par addition de NaCl ou de PEG au milieu de croissance. Nous avons montré que l'expression de la eGFP contrôlée par les promoteurs 4925 et 5102 n'était pas directement influencée par le stress hydrique, mais seulement par une réduction globale des taux de croissance. En revanche, l'expression de la eGFP dépendante des promoteurs dxnAl et uspA était aussi directement dépendante de l'ampleur du stress hydrique. La souche avec la construction 4925 a été utilisée par la suite dans des microcosmes avec différents types de sols pour évaluer la biodisponibilité du DBF en présence ou absence des microbes indigènes et d'autres composés contaminants. Nous avons constaté que RW1 pouvait se développer si le DBF a été ajouté au sol, mais l'expression de la eGFP par le biorapporteur suggère que la compétition avec la microbiota indigène pour les métabolites intermédiaires du DBF peut limiter sa capacité à proliférer de manière optimale. Le chapitre 5 décrit les résultats des expériences réalisées afin de détecter spécifiquement les gènes de RW1 qui pourraient être impliquées dans la résistance au stress hydrique. Ici on a crée des bibliothèques de mutants de RW1 par transposon, soit avec un mini-Tn5 classique ou avec une variante qui exprime la eGFP lorsque le transposon s'insère dans un gène induit par le stress hydrique. Les bibliothèques de mutants ont été criblées par la méthode classique de repiquage sur boîtes, dans des conditions de stress hydrique élevé (obtenu par l'addition de NaCl dans les boîtes). En outre, nous avons criblé des micro¬colonies dans des billes d'agarose qui ont pu être analysées par cytométrie de flux. Un certain nombre de mutants déficients à croître sur des milieux supplémentés avec du NaCl ont été isolés et les sites d'insertion du transposon séquencés. Dans une deuxième procédure nous avons criblé par cytométrie de flux des mutants avec une production de eGFP supérieure, après exposition à un milieu de croissance avec une concentration élevée de NaCl. Les mutants obtenus dans les deux bibliothèques n'étaient pas similaires. Les fonctions des gènes où se trouvent les insertions de transposons sont impliqués dans la synthèse de solutés compatibles (glutamate et de la proline), dans la synthèse de la membrane cellulaire et dans la modification de la composition de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus dans la présente étude nous donnent une image plus complète des mécanismes de dégradation du DBF par S. wittichii RW1, comment cette souche réagit à la disponibilité du DBF et comment l'activité catabolique peut être affectée par les conditions rencontrées dans des environnements contaminés.

New human kallikrein 14: enzymatic characterization and inhibitors development.

RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC En biologie, si une découverte permet de répondre à quelques questions, en général elle en engendre beaucoup d'autres. C'est ce qui s'est produit récemment dans le monde des kallicréines. De la famille des protéases, protéines ayant la faculté de couper plus ou moins spécifiquement d'autres protéines pour exercer un rôle biologique, la famille des kallicréines humaines n'était composée que de 3 membres lors du siècle dernier. Parmi eux, une kallicréine mondialement utilisée pour détecter le cancer de la prostate, le PSA. En 2000, un chercheur de l'hôpital universitaire Mont Sinaï à Toronto, le Professeur Eleftherios Diamandis, a découvert la présence de 12 nouveaux gènes appartenant à cette famille, situés sur le même chromosome que les 3 premières kallicréines. Cette découverte majeure a placé les spécialistes des kallicréines face à une montagne d'interrogations car les fonctions de ces nouvelles protéases étaient totalement inconnues. La kallicréine humaine 14 (hK14) présente un intérêt particulier, car elle se retrouve associée à différents cancers, notamment les carcinomes ovariens et mammaires. Cette association ne répond cependant pas à la fonction de cette protéase. L'objectif de ce travail de thèse était donc de découvrir, dans un premier temps, la spécificité de cette nouvelle kallicréine, c'est-à-dire le type de coupure qu'elle engendre au niveau des protéines qu'elle cible. Utilisant une technologie de pointe qui exploite la propriété des bactériophages à se répliquer dans les bactéries à l'infini, des dizaines de millions de combinaisons protéiques aléatoires ont été présentées à hK14, qui a pu sélectionner celles qui lui étaient favorables pour la coupure. Cette technique qualitative porte le nom de Phage Display Substrate. Une fois la sélection réalisée, il fallait transférer ces séquences coupées ou substrats dans un système permettant de donner une valeur quantitative à l'efficacité de coupure. Pour cela nous avons développé une technologie qui permet d'évaluer cette efficacité en utilisant des protéines fluorescentes de méduse, modifiées génétiquement, dont l'excitation de la première (CFP : cyan fluorescent protein) par la lumière à une certaine longue d'onde permet le transfert d'énergie à la seconde (YFP : yellow fluorescent protein), via un substrat qui les lie. Pour que ce transfert d'énergie se produise, il faut que les deux protéines fluorescentes soient proches, comme c'est le cas lorsqu'elles sont liées par un substrat. La coupure de ce lien provoque un changement de transfert d'énergie qui est quantifiable en utilisant un spectrofluoromètre. Cette technologie permet donc de suivre la réaction d'hydrolyse (coupure) des protéases. Afin de poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre la fonction biologique d'hK14 ainsi que son éventuelle implication dans le cancer, nous avons développé des inhibiteurs spécifiques d'hK14. Les séquences qui on été le plus efficacement coupées par hK14 ont été utilisées pour transformer deux types d'inhibiteurs classiques, qui circulent dans notre sang, en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Selon les résultats obtenus in vitro, ils pourront être évalués in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. RESUME Les protéases sont des enzymes impliquées dans des processus physiologiques mais aussi parfois pathologiques. La famille des kallicréines tissulaires humaines représente le plus grand groupe de protéases humaines, dont plusieurs pourraient participer au développement de certaines maladies. D'autre part, ces protéases sont apparues comme des marqueurs de pathogénicité potentiels, notamment dans les cas de cancers hormono-dépendants. La kallicréine humaine 14 a été récemment découverte et son implication dans quelques maladies, particulièrement dans le cas de tumeurs, semble probable. En effet, son expression génique est augmentée au niveau des tissus cancéreux de la prostate et du sein et son expression protéique s'est révélée plus élevée dans le sérum de patientes atteintes d'un cancer du sein ou des ovaires. Cependant, comme c'est le cas pour la plupart des kallicréines, sa fonction est encore inconnue. Afin de mieux connaître son rôle biologique et/ou pathologique, nous avons décidé de caractériser son activité enzymatique. Nous avons tout d'abord mis au point un système de substrats entièrement biologique permettant d'étudier in vitro l'activité des protéases. Ce système est basé sur le phénomène de FRET, à savoir le transfert d'énergie de résonance fluorescente qui intervient entre deux molécules fluorescentes voisines si le spectre d'émission de la protéine donneuse chevauche le spectre d'excitation de la protéine receveuse. Nous avons fusionné de manière covalente une protéine fluorescente bleue (CFP) et une jaune (YFP) en les liant avec diverses séquences. Par clivage de la séquence de liaison, une perte du transfert d'énergie peut être mesurée par un spectrofluoromètre. Cette technologie représente un moyen facile de suivre la réaction d'hydrolyse des protéases. Les conditions optimales de production de ces substrats CFP-YFP ont été déterminées, de même que les paramètres pouvant éventuellement influencer le FRET. Ce système possède une grande résistance à la protéolyse non spécifique et est applicable à un grand nombre de protéase. Contrairement aux substrats fluorogéniques, il permet d'étudier les acides aminés se trouvant des deux côtés du site de clivage. Ce système étant entièrement biologique, il est le reflet des interactions protéine-protéine et représente un outil biologique facile, bon marché et rapide pour caractériser les protéases. Dans un premier temps, hK14 a été mise en présence d' une banque de haute diversité de pentapeptides aléatoires présentée à la surface de phages afin d'identifier des substrats spécifiques. Ensuite, le système CFP-YFP a été employé pour trier les peptides sélectionnés afin d'identifier les séquences de substrats les plus sensibles et spécifiques pour hK14. Nous avons montré, qu'en plus de sa prévisible activité de type trypsine, hK14 possède aussi une très surprenante activité de type chymotrypsine. Les séquences les plus sensibles ont été choisies pour cribler la banque de donnée Swissprot, permettant ainsi l'identification de 6 substrats protéiques humains potentiels pour hK14. Trois d'entre eux, la laminine α-5, le collagène IV et la matriline-4, qui sont des composants de la matrice extracellulaire, ont démontré une grande susceptibilité à l'hydrolyse par hK14. De plus, la séparation éléctrophorétique a montré que la dégradation de la laminine α-5 et de la matriline-4 par hK14 devait se produire aux sites identifiés par la technologie du phage display. Pour terminer, nous avons transformé, par mutagenèse dirigée, deux serpines (inhibiteurs de protéases de type sérine) connues, AAT et ACT (alpha anti-trypsine et alpha anti-chymotrypsine), qui inhibent un vaste éventail d'enzymes humaines en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Ces inhibiteurs pourront être utilisés d'une part pour poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre l'implication d'hK14 dans des voies physiologiques ou dans le cancer et d'autre part pour les évaluer in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. SUMMARY Proteases consist of enzymes involved in physiological events, but also, in case of dysregulation, in pathogenicity. The human tissue kallikrein family represents the largest human protease cluster and includes several members that either could participate in the course of certain diseases or emerged as potential biological markers, especially in hormone dependent cancers. The human kallikrein 14 has been recently discovered and suggested implications in some disorders, particularly in tumors since its gene expression is up-regulated in prostate and breast cancer tissues and its protein expression increased in the serum of patients with breast and ovarian cancers. However, like most kallikreins, its function remains unknown. To better understand hK14 biological and/or pathological role, we decided to characterize its enzymatic activity. First of all, we developped a biological system suitable for in vitro study of protease activity. This system is based on the so-called FRET phenomenon, that is the Fluorescence Resonance Energy Transfer that occurs between two nearby fluorescent proteins if the emission spectrum of the donor overlaps the excitation spectrum of the acceptor. We fused covalently a cyan fluorescent protein (CFP) and a yellow fluorescent protein (YFP) with diverses sequences. Upon cleavage of the linker sequence by protease, the loss of energy transfer can be measured by a spectrofluorometer allowing an easy following of hydrolysis reaction. The optimal conditions to produce in bacterial system these CFP-YFP substrates were determined as well as the parameters that could eventually influence the FRET. This system demonstrated a high degree of resistance to non-specific proteolysis and applicability to various conditions corresponding to a great number of existing proteases. Other avantages are the possibility to study the amino acids located both sides of the cleavage site as well as the interest to work in a full biological system reflecting protein-protein interaction. A phage substrate library with exhaustive diversity was used prior to CFP-substrate-YFP system to isolate specific human kallikrein 14 substrates. After that the CFP-YFP system was used to sort peptides and identify highly sensitive and specific substrate sequences for hK14. We showed that besides its predictable trypsin-like activity, hK14 also possesses a surprising chymotrypsin-like activity. The screening of the Swissprot database was achieved with the most sensitive sequences and allowed the identification of 6 potential human protein substrates for hK14. Three of them, laminin α-5, collagen IV and matrilin-4, which are components of the extracellular matrix were incubated with hK14, by which they were efficiently hydrolyzed. Moreover, electrophoretic separation revealed that degradation of laminin α-5 and matrilin-4 by hK14 generated fragments with identical molecular size than the predicted N-terminal fragments that would result from hK14 specific cleavage, proving the value of phage display substrate to identify potential substrates. Finally, with site-directed mutagenesis, we transformed two well-known serpins (serine protease inhibitors), AAT and ACT (alpha anti-trypsin and alpha anti-chymotrypsin), which inhibit a vast spectrum of human enzymes into highly efficient and specific hK14 inhibitors. These inhibitors will be used to pursue experiments that could help understand hK14 implication in physiological pathways as well as in cancer biology and also to perform their in vivo evalution as potential cancer treatment.

New insights into the role of microRNAs in pancreatic ß-cell maturation and plasticity

Le diabète est une maladie chronique caractérisée par une élévation du taux de sucre dans le sang aussi appelé « glycémie » reflétant un état pathologique. L'élévation de la glycémie au long cours a des répercussions délétères sur nombreux de nos tissus et organes d'où l'apparition de complications sévères chez les sujets diabétiques pouvant atteindre les yeux, les reins, le système nerveux, le système cardiovasculaire et les membres inférieurs. La carence en une hormone essentielle à notre organisme, l'insuline, est au coeur du développement de la maladie. L'insuline induit la captation du glucose circulant dans le sang en excès suite à une prise alimentaire riche en glucides et favorise son utilisation et éventuellement son stockage dans les tissus tels que le foie, le tissu adipeux et les muscles. Ainsi, l'insuline est vitale pour réguler et maintenir stable notre niveau de glycémie. Les cellules bêta du pancréas sont les seules entités de notre corps capables de produire de l'insuline et une perte de fonctionnalité associée à leur destruction ont été mises en cause dans le processus pathologique du diabète de type 2. Cependant la pleine fonctionnalité et la maturation des cellules bêta n'apparaissent qu'après la naissance lorsque le pancréas en développement a atteint sa masse adulte définitive. Enfin, une fois la masse des cellules bêta définitive établie, leur nombre et volume restent relativement constants au cours de la vie adulte chez un sujet sain. Néanmoins, au cours de périodes critiques les besoins en insuline sont augmentés tel qu'observé chez les femmes enceintes et les personnes obèses qui ont une perte de sensibilité à l'insuline qui se traduit par la nécessité de sécréter plus d'insuline afin de maintenir une glycémie normale. Dans l'hypothèse où la compensation n'a pas lieu ou n'est pas aboutie, le diabète se développe. Le processus de maturation postnatale ainsi que les événements compensatoires sont donc des étapes essentielles et de nombreuses questions sont encore non résolues concernant l'identification des mécanismes les régulant. Parmi les acteurs potentiels figurent de petites molécules d'ARN découvertes récemment appelées microARNs et qui ont été rapidement suggérées très prometteuses dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans le cadre du diabète et d'autres pathologies. Les microARNs vont réguler l'expression de notre génome sans en modifier la séquence, phénomène également appelé épigénétique, ce qui résulte en des différences de comportement et de fonction cellulaires. Les microARNs sont donc susceptibles de jouer un rôle clé dans l'ensemble des processus biologiques et notre environnement associé à nos prédispositions génétiques peuvent grandement modifier leur niveau et donc leur action, qui à son tour se répercutera sur notre état physiologique. En effet nous avons identifié des changements de microARNs dans les cellules d'îlots pancréatiques de modèles animaux (rats et souris) associés à un état de résistance à l'insuline (grossesse et obésité). Par le biais d'expériences in vitro sur des cellules bêta extraites de rats et conservées en culture, nous avons pu analyser de plus près l'implication des microARNs dans la capacité des cellules bêta à sécréter de l'insuline mais aussi à se multiplier et à survivre au sein d'un environnement toxique. Ainsi, nous avons identifié des microARNs qui participent positivement à la compensation des cellules bêta, sous la direction d'hormones telles les estrogènes ou d'une hormone libérée par l'intestin au cours de la digestion (l'inerétine GLP1) et qui est largement utilisée comme agent thérapeutique dans la médication contre le diabète. Dans un second temps nous avons utilisé une stratégie similaire afin de déterminer le rôle de microARNs préalablement détectés comme étant changés au cours du développement postnatal des cellules bêta chez le rat. Cette étude a également mené à l'identification de microARNs participant à la maturation et à l'expansion de la masse des cellules bêta sous l'influence de la composition du régime alimentaire et des besoins en insuline adéquats qui en dépendent. Ces études apportent la vision de nouveaux mécanismes moléculaires impliquant les microARNs et démontrant leur importance pour le bon fonctionnement des cellules bêta et leur capacité d'adaptation à l'environnement. -- Les cellules bêta sont une composante des îlots pancréatiques de Langerhans et sont des cellules hautement différenciées qui ont l'unique capacité de sécréter de l'insuline sous l'influence des nutriments suite à une prise alimentaire. L'insuline facilite l'incorporation de glucose dans ses tissus cibles tels le foie, le tissu adipeux et les muscles. Bien que les besoins en insuline soient relativement constants au cours de la vie d'un individu sain, certaines conditions associées à un état de résistance à l'insuline, telles la grossesse ou l'obésité, requièrent une libération d'insuline majorée. En cas de résistance à l'insuline, une dysfonction des cellules bêta plus ou moins associée à leur mort cellulaire, conduisent à une sécrétion d'insuline insuffisante et au développement d'une hyperglycémie chronique, caractéristique du diabète de type 2. Jusqu'à présent, les mécanismes moléculaires sous- jacents à la compensation des cellules bêta ou encore menant à leur dysfonction restent peu connus. Découverts récemment, les petits ARNs non-codant appelés microARNs (miARNs), suscitent un intérêt grandissant de par leur potentiel thérapeutique pour la prise en charge et le traitement du diabète. Les miARNs sont de puissants régulateurs de l'expression génique qui lient directement le 3'UTR de leurs ARN messagers cibles afin d'inhiber leur traduction ou d'induire leur dégradation, ce qui leur permet de contrôler des fonctions biologiques multiples. Ainsi, nous avons pris pour hypothèse que les miARNs pourraient jouer un rôle essentiel en maintenant la fonction des cellules bêta et des processus compensatoires afin de prévenir le développement du diabète. Lors d'une première étude, une analyse transcriptomique a permis l'identification de miARNs différemment exprimés au sein d'îlots pancréatiques de rattes gestantes. Parmi eux, le miR-338-3p a démontré la capacité de promouvoir la prolifération et la survie des cellules bêta exposées à des acides gras saturés et des cytokines pro-inflammatoires, sans altérer leur propriété sécrétrice d'insuline. Nous avons également identifié deux hormones reconnues pour leurs propriétés bénéfiques pour la physiologie de la cellule bêta, l'estradiol et l'incrétine GLP1, qui régulent les niveaux du miR-338-3p. Ce miARN intègre parfaitement les voies de signalisation de ces deux hormones dépendantes de l'AMP cyclique, afin de contrôler l'expression de nombreux gènes conduisant à son action biologique. Dans un projet ultérieur, notre objectif était de déterminer la contribution de miARNs dans l'acquisition de l'identité fonctionnelle des cellules bêta en période postnatale. En effet, directement après la naissance les cellules bêta sont reconnues pour être encore immatures et incapables de sécréter de l'insuline spécifiquement en réponse à l'élévation de la glycémie. Au contraire, la réponse insulinique induite par les acides aminés ainsi que la biosynthèse d'insuline sont déjà fonctionnelles. Nos recherches ont permis de montrer que les changements de miARNs corrélés avec l'apparition du phénotype sécrétoire en réponse au glucose, sont régis par la composition nutritionnelle du régime alimentaire et des besoins en insuline qui en découlent. En parallèle, le taux de prolifération des cellules bêta est considérablement réduit. Les miARNs que nous avons étudiés coordonnent des changements d'expression de gènes clés impliqués dans l'acquisition de propriétés vitales de la cellule bêta et dans la maintenancé de son identité propre. Enfin, ces études ont permis de clairement démontrer l'importance des miARNs dans la régulation de la fonction des cellules bêta pancréatiques. -- Beta-cells are highly differentiated cells localized in the pancreatic islets and are characterized by the unique property of secreting insulin in response to nutrient stimulation after meal intake. Insulin is then in charge of facilitating glucose uptake by insulin target tissues such as liver, adipose tissue and muscles. Despite insulin needs stay more or less constant throughout life of healthy individuals, there are circumstances such as during pregnancy or obesity which are associated to insulin resistance, where insulin needs are increased. In this context, defects in beta-cell function, sometimes associated with beta-cell loss, may result in the release of inappropriate amounts of insulin leading to chronic hyperglycemia, properly defined as type 2 diabetes mellitus. So far, the mechanisms underlying beta- cell compensation as well as beta-cell failure remain to be established. The recently discovered small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) are emerging as interesting therapeutic targets and are bringing new hope for the treatment of diabetes. miRNAs display a massive potential in regulating gene expression by directly binding to the 3'UTR of messenger RNAs and by inhibiting their translation and/or stability, enabling them to modify a wide range of biological functions. In view of this, we hypothesized that miRNAs may play an essential role in preserving the functional beta-cell mass and permitting to fight against beta-cell exhaustion and decompensation that can lead to diabetes development. In a first study, global profiling in pancreatic islets of pregnant rats, a model of insulin resistance, led to the identification of a set of differentially expressed miRNAs. Among them, miR-338- 3p was found to promote beta-cell proliferation and survival upon exposure of islet cells to pro- apoptotic stimuli such as saturated fatty acids or pro-inflammatory cytokines, without impairment in their capacity to release insulin. We also discovered that miR-338-3p changes are driven by two hormones, the estradiol and the incretin GLP1, both well known for their beneficial impact on beta- cell physiology. Consistently, we found that miR-338-3p integrates the cAMP-dependent signaling pathways regulated by these two hormones in order to control the expression of numerous genes and execute its biological functions. In a second project, we aimed at determining whether miRNAs contribute to the acquisition of beta-cell identity. Indeed, we confirmed that right after birth beta-cells are still immature and are unable to secrete insulin specifically in response to elevated concentrations of glucose. In contrast, amino acid-stimulated insulin release as well as insulin biosynthesis are already fully functional. In parallel, newborn beta-cells are proliferating intensively within the expanding pancreas. Interestingly, we demonstrated that the miRNA changes and the subsequent acquisition of glucose responsiveness is influenced by the diet composition and the resulting insulin needs. At the same time, beta-cell proliferation declines. The miRNAs that we have identified orchestrate expression changes of essential genes involved in the acquisition of specific beta-cell properties and in the maintenance of a mature beta-cell identity. Altogether, these studies clearly demonstrate that miRNAs play important roles in the regulation of beta-cell function.

Characterization of a MAF1 knockout mouse model

L'ARN polymérase 3 transcrit un petit groupe de gènes fortement exprimés et impliqués dans plusieurs mécanismes moléculaires. Les ARNs de transfert ou ARNt représentent plus ou moins la moitié du transcriptome de l'ARN polymérase 3. Ils sont directement impliqués dans la traduction des protéines en agissant comme transporteurs d'acides aminés qui sont incorporés à la chaîne naissante de polypeptides. Chez des levures cultivées dans un milieu jusqu'à épuisement des nutriments, Maf1 réprime la transcription par l'ARN polymérase 3, favorisant ainsi l'économie énergétique cellulaire. Dans un modèle de cellules de mammifères, MAF1 réprime aussi la transcription de l'ARN polymérase 3 dans des conditions de stress, cependant il n'existe aucune donnée quant à son rôle chez un mammifère vivant. Pendant mon doctorat, j'ai utilisé une souris délétée pour le gène Maf1 afin de connaître les effets de ce gène chez un mammifère. Etonnamment, la souris Maf1-­‐/-­‐ est résistante à l'obésité même si celle-­‐ci est nourrie avec une nourriture riche en matières grasses. Des études moléculaires et de métabolomiques ont montré qu'il existe des cycles futiles de production et dégradation des lipides et des ARNt, ce qui entraîne une augmentation de la dépense énergique et favorise la résistance à l'obésité. En plus de la caractérisation de la souris Maf1-­‐/-­‐, pendant ma thèse j'ai également développé une méthode afin de normaliser les données de ChIP-­‐sequencing. Cette méthode est fondée sur l'utilisation d'un contrôle interne, représenté ici par l'ajout d'une quantité fixe de chromatine provenant d'un organisme différent de celui étudié. La méthode a amélioré considérablement la reproductibilité des valeurs entre réplicas biologiques. Elle a aussi révélé des différences entre échantillons issus de conditions différentes. Une occupation supérieure de l'ARN polymérase 3 sur les gènes Pol 3 chez les souris Maf1 KO entraîne une augmentation du niveau de précurseurs d'ARNt, ayant pour effet probable la saturation de la machinerie de maturation des ARNt. En effet, chez les souris Maf1 KO, le pourcentage d'ARNt modifiés est plus faible que chez les souris type sauvage. Ce déséquilibre entre le niveau de précurseurs et d'ARNt matures entraîne une diminution de la traduction protéique. Ces résultats ont permis d'identifier de nouvelles fonctions pour la protéine MAF1, comme étant une protéine régulatrice à la fois de la transcription mais aussi de la traduction et en étant un cible potentielle au traitement à l'obésité. -- RNA polymerase III (Pol 3) transcribes a small set of highly expressed genes involved in different molecular mechanisms. tRNAs account for almost half of the Pol 3 transcriptome and are involved in translation, bringing a new amino into the nascent polypeptide chain. In yeast, under nutrient deprivation, Maf1 acts for cell energetic economy by repressing Pol 3 transcription. In mammalian cells, MAF1 also represses Pol 3 activity under conditions of serum deprivation or DNA damages but nothing is known about its role in a mammalian organism. During my thesis studies, I used a Maf1 KO mouse model to characterize the effects of Maf1 deletion in a living animal. Surprisingly, the MAF1 KO mouse developed an unexpected phenotype, being resistant to high fat diet-­‐induced obesity and displaying an extended lifespan. Molecular and metabolomics characterizations revealed futile cycles of lipids and tRNAs, which are produced and immediately degraded, which increases energy consumption in the Maf1 KO mouse and probably explains in part the protection to obesity. Additionally to the mouse characterization, I also developed a method to normalize ChIP-­‐seq data, based on the addition of a foreign chromatin to be used as an internal control. The method improved reproducibility between replicates and revealed differences of Pol 3 occupancy between WT and Maf1 KO samples that were not seen without normalization to the internal control. I then established that increased Pol 3 occupancy in the Maf1 KO mouse liver was associated with increased levels of tRNA precursor but not of mature tRNAs, the effective molecules involved in translation. The overproduction of precursor tRNAs associated with the deletion of Maf1 apparently overwhelms the tRNA processing machinery as the Maf1 KO mice have lower levels of fully modified tRNAs. This maturation defect directly impacts on translation efficiency as polysomic fractions and newly synthetized protein levels were reduced in the liver of the Maf1 KO mouse. Altogether, these results indicate new functions for MAF1, a regulator of both transcription and translation as well as a potential target for obesity treatment.

The role of the hypothalamic kisspeptin/GPR54 system in the control of GnRH neurons

Summary : The hypothalamus represents less than 1 % of the total volume of the brain tissue, yet it plays a crucial role in endocrine regulations. Puberty is defined as a process leading to physical, sexual and psychosocial maturation. The hypothalamus is central to this process, via the activation of GnRH neurons. Pulsatile GnRH secretion, minimal during childhood, increases with the onset of puberty. The primary function of GnRH is to regulate the growth, development and function of testes in boys and ovaries in girls, by stimulating the pituitary gland secretion of luteinizing hormone (LH) and follicle-stimulating hormone (FSH). Several factors contribute to the timing of puberty, including sex and ethnicity, genetics, dietary intake and energy expenditure. Kisspeptins constitute a family of small peptides arising from the proteolytic cleavage of metastin, a peptide with 54 amino acids initially purified from human placenta. These kisspeptins were the subject of much attention following their discovery because of their antimetastatic properties, but it was more recently that their determining role in the reproductive function was demonstrated. It was shown that kisspeptins are ligands of a receptor, GPR54, whose natural inactivating mutation in humans, or knockout in the mouse, lead to infertility. GnRH neurons play a pivotal role in the central regulation of fertility. Kisspeptin greatly increases GnRH release and GnRH neuron firing activity, but the neurobiological mechanisms for these actions are unknown. Gprotein-coupled receptor 54, the receptor for kisspeptin, is expressed by GnRH neurons as well as other hypothalamic neurons, suggesting that both direct and indirect effects are possible. In the first part of my thesis, we investigated a possible connection between the acceleration of sexual development induced by leptin and hypothalamic metastin neurons. However, the data generated by our preliminary experiments confirmed that the commercially available antibodies are non-specific. This finding constituted a major drawback for our studies, which relied heavily upon the neuroanatomical study of the hypothalamic metastinergic pathways to elucidate their sensitivity to exogenous leptin. Therefore, we decided to postpone any further in vivo experiment until a better antibody becomes available, and focused on in vitro studies to better understand the mechanisms of action of kisspeptins in the modulation of the activity of GnRH neurons. We used two GnRH-expressing neuronal cell lines to investigate the cellular and molecular mechanisms of action of metastin in GnRH neurons. We demonstrated that kisspeptin induces an early activation of the MAP kinase intracellular signaling pathway in both cell lines, whereas the SAP/JNK or the Akt pathways were unaffected. Moreover, we found an increase in GnRH mRNA levels after 6h of metastin stimulation. Thus, we can conclude that kisspeptin regulates GnRH neurons both at the secretion and the gene expression levels. The MAPK pathway is the major pathway activated by metastin in GnRH expressing neurons. Taken together, these data provide the first mechanism of action of kisspeptin on GnRH neurons. Résumé : L'hypothalamus est une zone située au centre du cerveau, dont il représente moins de 1 du volume total. La puberté est la période de transition entre l'enfance et l'age adulte, qui s'accompagne de transformations somatiques, psychologiques, métaboliques et hormonales conduisant à la possibilité de procréer. La fonction principale de la GnRH est la régulation de la croissance, du développement et de la fonction des testicules chez les hommes, et des ovaires chez les femmes en stimulant la sécrétion de l'hormone lutéinisante (LH) et de l'hormone folliculostimulante (FSH) par la glande hypophysaire. Plusieurs facteurs contribuent au déclanchement de la puberté, y compris le sexe et l'appartenance ethnique, la génétique, l'apport alimentaire et la dépense énergétique. Les Kisspeptines constituent une famille de peptides résultant de la dissociation proteolytique de la métastine, un peptide de 54 acides aminés initialement purifié à partir de placenta humain. Ces kisspeptines ont fait l'objet de beaucoup d'attention à la suite de leur découverte en raison de leurs propriétés anti-metastatiques, et c'est plus récemment que leur rôle déterminant dans la fonction reproductive a été démontré. Les kisspeptines sont des ligands du récepteur GPR54, dont la mutation inactivatrice chez l'homme, ou le knockout chez la souris, conduisent à l'infertilité par hypogonadisme hypogonadotrope. Les neurones à GnRH jouent un rôle central dans le règlement des fonctions reproductrices et la kisspeptine stimule l'activité des neurones à GnRH et la libération de GnRH par ces neurones. Toutefois, les mécanismes neurobiologiques de ces actions ne sont pas connus. Dans la première partie de ma thèse, nous avons étudié le lien potentiel entre l'accélération du développement sexuel induite par la leptine et les neurones hypothalamiques à metastine. Les données générées dans cette première série d'expériences ont malheureusement confirmé que les anticorps anti-metastine disponibles dans le commerce sont aspécifiques. Ceci a constitué un inconvénient majeur pour nos études, qui devaient fortement s'appuyer sur l' étude neuroanatomique des neurones hypothalamiques à metastine pour évaluer leur sensibilité à la leptine exogène. Nous avons donc décidé de focaliser nos travaux sur une étude in vitro des mécanismes d'action de la kisspeptine pour moduler l'activité des neurones à GnRH. Nous avons utilisé deux lignées de cellules neuronales exprimant la GnRH pour étudier les mécanismes d'action cellulaires et moléculaires de la metastine dans des neurones. Nous avons ainsi pu démontrer que la kisspeptine induit une activation précoce de la voie f de signalisation de la MAP kinase dans les deux lignées cellulaires, alors que nous n'avons observé aucune activation de la voie de signalisation de la P13 Kinase et de la SAP/JNK. Nous avons en outre démontré une augmentation de l'expression de la GnRH par la stimulation avec la Kisspeptine. L'ensemble de ces données contribue à élucider le mécanisme d'action avec lequel la kisspeptine agit dans les neurones à GnRH, en démontrant un effet sur l'expression génique de la GnRH. Nous pouvons également conclure que la voie de la MAPK est la voie principale activée par la metastine dans les neurones exprimant la GnRH.

CTCF-T, a paralogue of CTCF, directs sequence specific DNA methylation of the imprinting control region of Igf2/H19

SUMMARY Genomic imprinting is an epigenetic mechanism of transcriptional regulation that ensures restriction of expression of a subset of mammalian genes to a single parental allele. The best studied example of imprinted gene regulation is the Igf2/H19 locus, which is also the most commonly altered by loss of imprinting (LOT) in cancer. LOT is associated with numerous hereditary diseases and several childhood, and adult cancers. Differential expression of reciprocal H19 and 1gf2 alleles in somatic cells depends on the methylation status of the imprinting control region (ICR) which regulates binding of CTCF, an ubiquitously expressed 11-zinc finger protein that binds specifically to non-methylated maternal ICR and thereby attenuates expression of Igf2, while it does not bind to methylated paternal ICR, which enables Igf2 expression. Initial ICR methylation occurs during gametogenesis by an as yet unknown mechanism. The accepted hypothesis is that the event of differential maternal and paternal DNA methylation depends on germ-line specific proteins. Our Laboratory identified a novel 11-zinc-finger protein CTCF-T (also known as CTCFL and BORIS) that is uniquely expressed in the male germ-line and is highly homologous within its zinc-finger region with CTCF. The amino-acid sequences flanking the zinc-finger regions of CTCF and CTCF-T have widely diverged, suggesting that though they could bind to the same DNA targets (ICRs) they are likely to have different functions. Interestingly, expression of CTCF-T and CTCF is mutually exclusive; CTCF-T-positive (CTCF-negative) cells occur in the stage of spermatogenesis that coincides with epigenetic reprogramming, including de novo DNA methylation. In our study we demonstrate the role that CTCF-T plays in genomic imprinting. Here we show that CTCF-T binds in vivo to the ICRs of Igf2/H19 and Dlk/Gt12 imprinted genes. In addition, we identified two novel proteins interacting with CTCF-T: a protein arginine methyltransferase PRMT7 and an arginine-rich histone H2A variant that we named trH2A. These interactions were confirmed and show that the two proteins interact with the amino-teiminal region of CTCF-T. Additionally, we show interaction of the amino- terminal region of CTCF-T with histones H1, H2A and H3. These results suggest that CTCF-T is a sequence-specific DNA (ICR) binding protein that associates with histones and recruits PRMT7. Interestingly, PRMT7 has a histone-methyltransferase activity. It has been shown that histone methylation can mark chromatin regions thereby directing DNA-methylation; thus, our hypothesis is that the CTCF-T protein-scaffold directs PRMT7 to methylate histone(s) assembled on ICRs, which marks chromatin for the recruitment of the de novo DNA methyltransferases to methylate DNA. To test this hypothesis, we developed an in vivo DNA-methylation assay using Xenopus laevis' oocytes, where H19 ICR and different expression cDNAs, including CTCF-T, PRMT7 and the de novo DNA methyltransferases (Dnmt3a, Dnmt3b and Dnmt3L) are microinjected into the nucleus. The methylation status of CpGs within the H19 ICR was analysed 48 or 72 hours after injection. Here we demonstrate that CpGs in the ICR are methylated in the presence of both CTCF-T and PRMT7, while control oocytes injected only with ICR did not show any methylation. Additionally, we showed for the first time that Dnmt3L is crucial for the establishment of the imprinting marks on H19 ICR. Moreover, we confirmed that Dnmt3a and Dnmt3b activities are complementary. Our data indicate that all three Dnmt3s are important for efficient de novo DNA methylation. In conclusion, we propose a mechanism for the establishment of de novo imprinting marks during spermatogenesis: the CTCF-T/PRMT7 protein complex directs histone methylation leading to sequence-specific de novo DNA methylation of H19 ICR. RESUME L'empreinte génomique parentale est un mécanisme épigénétique de régulation transcriptionelle qui se traduit par une expression différentielle des deux allèles de certains gènes, en fonction de leur origine parentale. L'exemple le mieux caractérisé de gènes soumis à l'empreinte génomique parentale est le locus Igf2/H19, qui est aussi le plus fréquemment altéré par relaxation d'empreinte (en anglais: loss of imprinting, LOI) dans les cancers. Cette relaxation d'empreinte est aussi associée à de nombreuses maladies héréditaires, ainsi qu'à de nombreux cancers chez l'enfant et l'adulte. Dans les cellules somatiques, les différences d'expression des allèles réciproques H19 et Ig12 est sous le contrôle d'une région ICR (Imprinting Control Region). La méthylation de cette région ICR régule l'ancrage de la protéine à douze doigts de zinc CTCF, qui se lie spécifiquement à l'ICR maternel non-méthylé, atténuant ainsi l'expression de Igf2, alors qu'elle ne s'ancre pas à l'ICR paternel méthyle. Le mécanisme qui accompagne la méthylation initiale de la région ICR durant la gamétogenèse n'a toujours pas été élucidé. L'hypothèse actuelle propose que la différence de méthylation entre l'ADN maternel et paternel résulte de l'expression de protéines propres aux zones germinales. Notre laboratoire a récemment identifié une nouvelle protéine à douze doigts de zinc, CTCF-T (aussi dénommée CTCFL et BORRIS), qui est exprimée uniquement dans les cellules germinales mâles, dont la partie à douze doigts de zinc est fortement homologue à la protéine CTCF. La séquence d'acides aminés de part et d'autre de cette région est quant à elle très divergente, ce qui implique que CTCF-T se lie sans doute au même ADN cible que CTCF, mais possède des fonctions différentes. De plus, l'expression de CTCF-T et de CTCF s'oppose mutuellement; l'expression de la protéine CTCF-T (cellules CTCF-T positives, CTCF negatives) qui a lieu pendant la spermatogenèse coïncide avec la reprogrammation épigénétique, notamment la méthylation de novo de l'ADN. La présente étude démontre le rôle essentiel joué par la protéine CTCF-T dans l'acquisition de l'empreinte génomique parentale. Nous montrons ici que CTCF-T s'associe in vivo avec les régions ICR des loci Igf2/H19 et Dlk/Gt12. Nous avons également identifié deux nouvelles protéines qui interagissent avec CTCF-T : une protéine arginine méthyl transférase PRMT7, et un variant de l'histone H2A, riche en arginine, que nous avons dénommé trH2A. Ces interactions ont été analysées plus en détail, et confinnent que ces deux protéines s'associent avec la région N-terminale de CTCF-T. Aussi, nous présentons une interaction de la région N-terminale de CTCF-T avec les histones H1, H2, et H3. Ces résultats suggèrent que CTCF-T est une protéine qui se lie spécifiquement aux régions ICR, qui s'associe avec différents histones et qui recrute PRMT7. PRMT7 possède une activité méthyl-tansférase envers les histones. Il a été montré que la méthylation des histones marque certains endroits de la chromatine, dirigeant ainsi la méthylation de l'ADN. Notre hypothèse est donc la suivante : la protéine CTCF-T sert de base qui dirige la méthylation des histones par PRMT7 dans les régions ICR, ce qui contribue à marquer la chromatine pour le recrutement de nouvelles méthyl transférases pour méthyler l'ADN. Afin de valider cette hypothèse, nous avons développé un système de méthylation de l'ADN in vivo, dans des oeufs de Xenopus laevis, dans le noyau desquels nous avons mico-injecté la région ICR du locus H19, ainsi que différents vecteurs d'expression pour CTCF-T, PRMT7, et les de novo méthyl transférases (Dnmt3a, Dnmt3b et Dnmt3L). Les CpGs méthyles de la région ICR du locus H19 ont été analysé 48 et 72 heures après l'injection. Cette technique nous a permis de démontrer que les CpGs de la région ICR sont méthyles en présence de CTCF-T et de PRMT7, tandis que les contrôles injectés seulement avec la région ICR ne présentent aucun signe de méthylation. De plus, nous démontrons pour la première fois que la protéine méthyl transférase Dnmt3L est déterminant pour l'établissement de l'empreinte génomique parentale au niveau de la région ICR du locus H19. Aussi, nous confirmons que les activités méthyl transférases de Dnmt3a et Dnmt3b sont complémentaires. Nos données indiquent que les trois protéines Dnmt3 sont impliquées dans la méthylation de l'ADN. En conclusion, nous proposons un mécanisme responsable de la mise en place de nouvelles empreintes génomiques pendant la spermatogenèse : le complexe protéique CTCF-T/PRMT7 dirige la méthylation des histones aboutissant à la méthylation de novo de l'ADN au locus H19.

Rôle de l'activation de c-Jun N-terminal kinase (JNK) dans un modèle de glaucome chez le rat et neuroprotection par inhibition de la voie de JNK

RESUME : Dans ce travail effectué chez le rat adulte, l'excitotoxicité rétinienne est élicitée par injection intravitréenne de NMDA. Les lésions en résultant sont localisées dans la rétine interne. Elles prennent la forme de pycnoses dans la couche des cellules ganglionnaires (corps cellulaires des cellules ganglionnaires et amacrines déplacées) et dans la partie interne de la couche nucléaire interne (cellules amacrines). Cette localisation est liée à la présence de récepteurs au glutamate de type NMDA sur ces cellules. L'activation de ces récepteurs entraîne un influx calcique et l'activation de diverses enzymes (phospholipase A, calpaïnes, calmoduline, synthase d'oxyde nitrique). La signalisation se poursuit en aval en partie par les voies des Mitogen Activated Protein Kinase (MAPK) : ERK, p38, ]NK. Dans les expériences présentées, toutes trois sont activées après l'injection de NMDA. Dans les cascades de signalisation de JNK, trois kinases s'ancrent sur une protéine scaffold. Les MAPKKK phosphorylent MKK4 et MKK7, qui phosphorylent JNK. JNK a de nombreuses cibles nucléaires (dont le facteur de transcription c-Jun) et cytoplasmiques. La voie de JNK est bloquée par l'inhibiteur peptidique D-JNKI-1 en empêchant l'interaction de la kinase avec son substrat. L'inhibiteur est formé de 20 acides aminés du domaine de liaison JBD et de 10 acides aminés de la partie TAT du virus HIV. L'injection intravitréenne de D-JNKI-1 permet une diminution des taux de JNK et c-Jun phosphorylés dans les lysats de rétine. L'effet prépondérant est la restriction importante des altérations histologiques des couches internes de la rétine. L'évaluation par électrorétinogramme met en sus en évidence une sauvegarde de la fonction cellulaire. Ce travail a ainsi permis d'établir la protection morphologique et fonctionnelle des cellules de la rétine interne par inhibition spécifique de la voie de JNK lors d'excitotoxicité. SUMMARY Excitotoxicity in the retina associates with several pathologies like retinal ischemia, traumatic optic neuropathy and glaucoma. In this study, excitotoxicity is elicited by intravitreal NMDA injection in adult rats. Lesions localise in the inner retina. They present as pyknotic cells in the ganglion cell layer (ganglion cells and displaced amacrines) and the inner nuclear layer (amacrine cells). These cells express NMDA glutamate receptors. The receptor activation leads to a calcium flow into the cell and hence enzyme activation (phospholipase, calpains, calmodulin, nitric oxide synthase). The subsequent signaling pathways can involve the Mitogen Activated Protein Kinases (MAPK): ERK, p38 end JNK. These were all activated in our experiments. The signaling cascade organises around several scaffold proteins. The various MAPKKK phosphorylate MKK4 and MKK7, which phosphorylate JNK. JNK targets are of nuclear (c-Jun transcription factor) or cytoplasmic localisation. The peptidic inhibitor D-JNKI-1, 20 amino acids from the JNK binding domain JBD coupled to 10 amino acids of the TAT transporter, disrupts the binding of JNK with its substrate. Intravitreal injection of the inhibitor lowers phosphorylated forms of JNK and c-Jun in retinal extracts. It protects strongly against histological lesions in the inner retina and allows functional rescue.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

New insights into the long-term evolutionary history of the avian MHC

SummaryGene duplication and neofunctidnalization are important processes in the evolution of phenotypic complexity. They account for important evolutionary novelties that confer ecological adaptation, such as the major histocompatibility complex (MHC), a multigene family with a central role in vertebrates' adaptive immune system. Multigene families, which evolved in large part through duplication, represent promising systems to study the still strongly depbated relative roles of neutral and adaptive processes in the evolution of phenotypic complexity. Detailed knowledge on ecological function and a well-characterized evolutionary history place the mammals' MHC amongst ideal study systems. However mammalian MHCs usually encompass several million base pairs and hold a large number of functional and non-functional duplicate genes, which makes their study complex. Avian MHCs on the other hand are usually way more compact, but the reconstruction of. their evolutionary history has proven notoriously difficult. However, no focused attempt has been undertaken so far to study the avian MHC evolutionary history in a broad phylogenetic context and using adequate gene regions.In the present PhD, we were able to make important contributions to the understanding of the long-term evolution of the avian MHC class II Β (MHCI1B). First, we isolated and characterized MHCIIB genes in barn owl (Tyto alba?, Strigiformes, Tytonidae), a species from an avian lineage in which MHC has not been studied so far. Our results revealed that with only two functional MHCIIB genes the MHC organization of barn owl may be similar to the 'minimal essential' MHC of chicken (Gallus gallus), indicating that simple MHC organization may be ancestral to birds. Taking advantage of the sequence information from barn owl, we studied the evolution of MHCIIB genes in 13 additional species of 'typical' owls (Strigiformes, Strigidae). Phylogenetic analyses revealed that according to their function, in owls the peptide-binding region (PBR) encoding exon 2 and the non-PBR encoding exon 3 evolve by different patterns. Exon 2 exhibited an evolutionary history of positive selection and recombination, while exon 3 traced duplication history and revealed two paralogs evolving divergently from each other in owls, and in a shorebird, the great snipe {Gallinago media). The results from exon 3 were the first ever from birds to demonstrate gene orthology in species that diverged tens of millions of years ago, and strongly questioned whether the taxa studied before provided an adequate picture of avian MHC evolution. In a follow-up study, we aimed at explaining a striking pattern revealed by phylogenetic trees analyzing the owl sequences along with MHCIIB sequences from other birds: One owl paralog (termed DAB1) grouped with sequences of passerines and falcons, while the other (DAB2) grouped with wildfowl, penguins and birds of prey. This could be explained by either a duplication event preceding the evolution of these bird orders, or by convergent evolution of similar sequences in a number of orders. With extensive phylogenetic analyses we were able to show, that indeed a duplication event preceeded the major avian radiation -100 my ago, and that following this duplication, the paralogs evolved under positive selection. Furthermore, we showed that the divergently evolving amino acid residues in the MHCIIB-encoded β-chain potentially interact with the MHCI I α-chain, and that molecular coevolution of the interacting residues may have been involved in the divergent evolution of the MHCIIB paralogs.The findings of this PhD are of particular interest to the understanding of the evolutionary history of the avian MHC and, by providing essential information on long-term gene history in the avian MHC, open promising perspectives for advances in the understanding of the evolution of multigene families in general, and for avian MHC organization in particular. Amongst others I discuss the importance of including protein structure in the phylogenetic study of multigene families, and the roles of ecological versus molecular selection pressures. I conclude by providing a population genomic perspective on avian MHC, which may serve as a basis for future research to investigate the relative roles of neutral processes involving effective population size effects and of adaptation in the evolution of avian MHC diversity and organization.RésuméLa duplication de gènes et leur néo-fonctionnalisation sont des processus importants dans l'évolution de la complexité phénotypique. Ils sont impliqués dans l'apparition d'importantes nouveautés évolutives favorisant l'adaptation écologique, comme c'est le cas pour le complexe majeur d'histocompatibilité des vertébrés. Les familles multigéniques représentent des systèmes prometteurs pour l'étude controversée des rôles relatifs des processus neutres et adaptatifs dans l'évolution de la complexité phénotypique. La connaissance détaillée de sa fonction écologique, ainsi que de son histoire évolutive, placent le CMH des mammifères parmi les candidats idéaux. Toutefois, les CMHs des mammifères comprennent habituellement plusieurs millions de paires de bases et sont formés par un grand nombre de gènes dupliqués, fonctionnels et non-fonctionnels, ce qui rend leur étude complexe. Au contraire, les CMHs des oiseaux sont généralement plus compacts, mais la reconstruction de leur histoire évolutive s'est révélée difficile. Aucune analyse spécifique n'a cependant été entreprise jusqu'à présent pour étudier l'histoire évolutive du CMH aviaire dans un large contexte phylogénétique et en utilisant des régions géniques adéquates.Ce travail de thèse a contribué à la compréhension de l'évolution à long-terme du CMH aviaire classe II Β (CMH II Β). Nous avons isolé et caractérisé les gènes CMH I IB de la chouette effraie (Tyto alba; Strigiformes, Tytonidae), une espèce appartenant à une lignée aviaire dont le CMH n'avait pas été étudié jusqu'ici. Avec uniquement deux gènes CMHIIB fonctionnels, l'organisation CMH de la chouette effraie semble être comparable à celle "minimale" du poulet (Gallus gallus), ce qui suggère qu'une organisation simple du CMH pourrait être ancestrale chez les oiseaux. En se basant sur l'information obtenue pour cette espèce, nous avons ensuite étudié l'évolution des gènes CMHIIB chez 13 espèces de chouettes "typiques" (Strigiformes, Strigidae). Les analyses phylogénétiques ont révélé que chez les chouettes, selon leur fonction, l'exon 2 codant pour la 'peptide-binding region' (PBR) et l'exon 3 ne codant pas pour la région PBR évoluent de manière distincte. L'exon 2 montre une histoire évolutive de sélection positive et recombinaison, tandis que l'exon 3 retrace l'histoire de duplication et révèle deux paralogues évoluant de façon divergente chez les chouettes, ainsi que chez un limicole, la bécassine double (Gallinago media). Les résultats découlant de l'analyse de l'exon 3 ont montré pour la première fois chez les oiseaux une orthologie de gènes chez des espèces ayant divergé il y a des dizaines de millions d'années. Dans une deuxième étude, nous avons voulu expliquer le pattern surprenant révélé par les arbres phylogénétiques lorsque les séquences CMHIIB des chouettes sont analysées avec les séquences d'autres oiseaux: un paralogue de chouette (appelé DABI) forme un groupe avec les séquences de passereaux et faucons, tandis que l'autre (DAB2) se regroupe avec les gallo-ansériformes, les manchots et les rapaces diurnes. Ceci pourrait être expliqué soit par une duplication qui a précédé l'évolution de ces ordres aviaires soit par évolution convergente dans un certain nombre d'ordres. Grâce à des analyses phylogénétiques approfondies, nous avons pu montrer qu'un événement de duplication a effectivement précédé la radiation aviaire principale d'il y a environ 100 millions d'années, et qu'après cette duplication les paralogues ont évolué sous sélection positive. De plus, les résidus d'acides aminés évoluant de façon divergente dans la chaîne β codée par le CMHIIB interagissent potentiellement avec la chaîne α codée par le CMHII, et que la coévolution moléculaire de ces résidus pourrait être à la base de l'évolution divergente des paralogues CMHIIB.Dans cette thèse sont discutés entre autres l'importance d'inclure la structure des protéines dans l'étude phylogénétique des familles multigéniques, ainsi que les rôles respectifs des pressions sélectives écologique et moléculaire. La conclusion comporte une perspective sur la génomique des populations du CMH aviaire, qui pourrait servir de base pour de futures recherches sur les rôles relatifs joués par Îes processus neutres comprenant les effets de la taille efficace des populations et l'adaptation dans l'évolution de la diversité et l'organisation du MHC aviaire.

Maturation protéolytique et sécrétion de la rénine: importance fonctionnelle de la pro-région

RÉSUMÉ Le système rénine-angiotensine joue un rôle prépondérant dans la régulation de la pression sanguine et de la balance des sels ainsi que dans d'autres processus physiologiques et pathologiques. Lorsque la pression sanguine est trop basse, les cellules juxtaglomérulaires sécrètent la rénine, qui clivera l'angiotensinogène circulant (sécrété majoritairement par le foie) pour libérer l'angiotensine I, qui sera alors transformée en angiotensine II par l'enzyme de conversion de l'angiotensine. Ce système est régulé au niveau de la sécrétion de la rénine par le rein. La rénine est une enzyme de type protéase aspartique. Elle est produite sous la forme d'un précurseur inactif de haut poids moléculaire appelé prorénine, qui peut être transformé en rénine active. Si le rôle de la prorégion de la rénine n'est pas encore connu, plusieurs études ont montré qu'elle pourrait être un auto-inhibiteur. Des travaux menés sur d'autres enzymes protéolytique ont mis en évidence un rôle de chaperon de leurs prorégions. Dans la circulation, la prorénine est majoritaire (90%) et la rénine active ne représente que 10% de la rénine circulante. L'enzyme qui transforme, in vivo, la prorénine en rénine active n'est pas connue. De même, l'endroit précis du clivage n'est pas élucidé. Dans ce travail, nous avons généré plusieurs mutants de la prorénine et les avons exprimés dans deux types cellulaires : les CV1 (modèle constitutif) et AtT-20 (modèle régulé). Nous avons montré que la prorégion joue un rôle important aussi bien dans l'acquisition de l'activité enzymatique que dans la sécrétion de la rénine, mais fonctionne différemment d'un type cellulaire à l'autre. Nous avons montré pour la première fois que la prorégion interagit de façon intermoléculaire à l'intérieur de la cellule. Les expériences de complémentation montre que l'interaction favorable de la rénine avec la prorégion dépend de la taille de cette dernière : prorénine (383 acides aminés) > pro62 (62 acides aminés) > pro43 (43 acides aminés). Par ailleurs nos résultats montrent qu'une faible partie de la rénine est dirigée vers la voie de sécrétion régulée classique tandis que la majorité est dirigée vers les lysosomes. Ceci suggère qu'une internalisation de la rénine circulante via le récepteur mannose-6-phosphate est possible. Cette dernière concernerait essentiellement la prorénine (dont les taux circulants sont 10 fois plus élevés que la rénine active). La suite de ce travail porterait sur la confirmation de cette hypothèse et l'identification de son possible rôle physiologique. SUMMARY The renin-angiotensin system is critical for the control of blood pressure and salt balance and other physiological and pathological processes. When blood pressure is too low, renin is secreted by the juxtaglomerular cells. It will cleave the N-terminus of circulating angiotensinogen (mostly secreted by the liver) to angiotensin-1, which is then transformed in angiotensin-II by the angiotensin-converting-enzyme (ACE). This system is regulated at the level of renin release. Renin, an aspartyl protease, is produced from a larger precursor (called prorenin) which is matured into active renin. Although the role of the renin proregion remains unknown, it has been reported that it could act as an autoinhibitor. Works on other proteolytic enzymes showed that their prorégion can act as chaperones. prorenin is the major circulating form of renin, while active renin represents only 10%. The enzyme which transforms, in vivo, the prorenin into active renin is unknown and the exact cleavage site remains to be elucidated. In this study, we generated some prorenin mutants, which were expressed in CV1 cells (constitutive pathway model) or AtT-20 cells (regulated pathway model). We showed that the proregion plays a pivotal role in the enzymatic activity and secretion of renin in a different manner in the two cell types. For the first time, it has been demonstrated that the proregion acts in an intermolecular way into the cell. Complementation assays showed that interaction between renin and proregion depends on the size of the proregion: prorenin (383 amino acids) > pro62 (62 amino acids) > pro43 (43 amino acids). Furthermore, our results showed that only a small amount of the cellular renin pool is targeted to the "canonical" regulated pathway and that the remaining is targeted to the lysosomes. Those results suggest a possible internalizátion of the circulating renin through the mannose-6-phosphate receptor pathway. This would mostly concern the prorenin (whose levels are ten times higher than active renin). Further studies would confirm or infirm this hypothesis and elucidate a potential physiological role.

The role of CTCFL/BORIS in Meiosis

The complexity of mammalian genome organization demands a complex interplay of DNA and proteins to orchestrate proper gene regulation. CTCF, a highly conserved, ubiquitously expressed protein has been postulated as a primary organizer of genome architecture because of its roles in transcriptional activation/repression, insulation and imprinting. Diverse regulatory functions are exerted through genome wide binding via a central eleven zinc finger DNA binding domain and an array of diverse protein-protein interactions through N- and C- terminal domains. CTCFL has been identified as a paralog of CTCF expressed only in spermatogenic cells of the testis. CTCF and CTCFL have a highly homologous DNA-binding domain, while the flanking amino acid sequences exhibit no significant similarity. Genome- wide mapping of CTCF binding sites has been carried out in many cell types, but no data exist for CTCFL apart from a few identified loci. The lack of high quality antibodies prompted us to generate an endogenously flag-tagged CTCFL mouse model using BAC recombination. IHC staining using anti-flag antibodies confirmed CTCFL localization to type Β spermatogonia and preleptotene spermatocytes and a mutually exclusive pattern of expression with CTCF. ChIP followed by high-throughput sequencing identified 10,382 binding sites showing 70% overlap but representing only 20% of CTCF sites. Consensus sequence analysis identified a significantly longer binding motif with prominently less ambiguity of base calling at every position. The significant difference between CTCF and CTCFL genomic binding patterns proposes that their binding to DNA is differentially regulated. Analysis of CTCFL binding to methylated regions on a genome wide scale identified approximately 1,000 loci. Methylation-independent binding of CTCFL might be at least one of the mechanisms that ensures distinct binding patterns of CTCF and CTCFL since CTCF binding is methylation- sensitive. Co-localization of CTCF with cohesin has been well established and analysis of CTCFL and SMC3 overlap identified around 3,300 binding sites from which two related but distinct consensus sequence motifs were derived. Because virtually all data for cohesin binding originate from mitotically proliferating cells, the anticipated overlap is expected to be considerably higher in meiotic cells. Meiosis-specific cohesin subunit Rec8 is specific for spermatocytes and 6 out of the 12 identified binding sites are also bound by CTCFL. In conclusion, this was the first genome-wide mapping of CTCFL binding sites in spermatocytes, the only cell type where CTCF is not expressed. CTCFL has a unique binding site repertoire distinct from CTCF, binds to methylated sequences and shows a significant overlap with cohesin binding sites. Future efforts will be oriented towards deciphering the role CTCFL plays in conversion of chromatin structure and function from mitotic to meiotic chromosomes. - La complexité de l'organisation du génome des mammifères exige une interaction particulière entre ADN et protéines pour orchestrer une régulation appropriée de l'expression des gènes. CTCFL, une protéine ubiquitaire très conservée, serait le principal organisateur de l'architecture du génome de par son rôle dans l'activation / la répression de la transcription, la protection et la localisation des gènes. Diverses régulations sont opérées, d'une part au travers d'interactions à différents endroits du génome par le biais d'un domaine protéique central de liaison à l'ADN à onze doigts de zinc, et d'autre part par des interactions protéine-protéine variées au niveau de leur domaine N- et C-terminal. CTCFL a été identifié comme un paralogue de CTCF exprimé uniquement dans les cellules spermatiques du testicule. CTCFL et CTCF ont un domaine de liaison à l'ADN très homologue, tandis que les séquences d'acides aminés situées de part et d'autre de ce domaine ne présentent aucune similitude. Une cartographie générale des sites de liaison au CTCF a été réalisée pour de nombreux types cellulaires, mais il n'existe aucune donnée pour CTCFL à l'exception de l'identification de quelques loci. L'absence d'anticorps de bonne qualité nous a conduit à générer un modèle murin portant un CTCFL endogène taggué grâce à un procédé de recombinaison BAC. Une coloration IHC à l'aide d'anticorps anti-FLAG a confirmé la présence de CTCFL au niveau des spermatogonies de type Β et des spermatocytes au stade préleptotène, et une distribution mutuellement exclusive avec CTCF. Une méthode de Chromatine Immunoprecipitation (ChIP) suivie d'un séquençage à haut débit a permis d'identifier 10.382 sites de liaison montrant 70% d'homologie mais ne représentant que 20% des sites CTCF. L'analyse de la séquence consensus révèle un motif de fixation à l'ADN nettement plus long et qui comporte bien moins de bases aléatoires à chaque position nucléotidique. La différence significative entre les séquences génomiques des sites de liaison au CTCF et CTCFL suggère que leur fixation à l'ADN est régulée différemment. Appliquée à l'échelle du génome, l'étude de l'interaction de CTCFL avec des régions méthylées de l'ADN a permis d'identifier environ 1.000 loci. Contrairement à CTCFL, la liaison de CTCF dépend de l'état de méthylation de l'ADN ; cette modification épigénétique constitue donc au moins un des mécanismes de régulation expliquant une localisation de CTCF et CTCFL à des sites distincts du génome. La co- localisation de CTCF avec la cohésine étant établie, l'analyse de la superposition des séquences de CTCFL avec la sous-unité SMC3 identifie environ 3.300 sites de liaison parmi lesquels deux mêmes motifs consensus distincts par leur séquence sont mis en évidence. La presque quasi-totalité des données sur la cohésine ayant été établie à partir de cellules en prolifération mitotique, il est probable que la similitude au sein des séquences consensus soit encore plus grande dans le cas des cellules en méiose. La sous-unité Rec8 de la cohésine propre à l'état de méiose est spécifiquement exprimée dans les spermatocytes. Or 6 des 12 sites de liaison identifiés sont également utilisés par CTCFL. Pour conclure, ce travail constitue la première cartographie à l'échelle du génome des sites de liaison de CTCFL dans les spermatocytes, seul type cellulaire où CTCFL n'est pas exprimé. CTCFL possède un répertoire unique de sites de fixation à l'ADN distinct de CTCF, se lie à des séquences méthylées et présente un nombre important de sites de liaison communs avec la cohésine. Les perspectives futures sont d'élucider le rôle de CTCFL dans le remodelage de la structure de la chromatine et de définir sa fonction dans le processus de méiose.

Modulation of fructose metabolism by dietary factors

High fructose consumption is associated with obesity and characteristics of metabolic syndrome. This includes insulin resistance, dyslipidemia, type II diabetes and hepatic steatosis, the hepatic component of metabolic syndrome. Short term high fructose consumption in healthy humans is considered as a study model to increase intrahepatocellular lipids (IHCL). Protein supplementation added to a short term high fructose diet exerts a protective role on hepatic fat accumulation. Fructose disposal after an acute fructose load is well established. However, fructose disposal is usually studied when a high intake of fructose is ingested. Interaction of fructose with other macronutrients on fructose disposal is not clearly established. We wanted to assess how fructose disposal is modulated with nutritional factors. For the first study, we addressed the question of how would essential amino acid (EAA) supplemented to a high fructose diet have an impact on hepatic fat accumulation? We tried to distinguish which metabolic pathways were responsible for the increase in IHCL induced by high fructose intake and how those pathways would be modulated by EAA. After 6 days of hypercaloric high fructose diet, we observed, as expected an increase in IHCL modulated by an increase in VLDL-triglycerides and an increase in VLDL-13C-palmitate production. When adding a supplementation in EAA, we observed a decrease in IHCL but we could not define which mechanism was responsible for this process. With the second study, we were interested to observe fructose disposal after a test meal that contained lipid, protein and a physiologic dose of fructose co-ingested or not with glucose. When ingested with other macronutrients, hepatic fructose disposal is similar as when ingested as pure fructose. It induced oxidation, gluconeogenesis followed by glycogen synthesis, conversion into lactate and to a minor extent by de novo lipogenesis. When co- ingested with glucose decreased fructose oxidation as well as gluconeogenesis and an increased glycogen synthesis without affecting de novo lipogenesis or lactate. We were also able to observe induction of intestinal de novo lipogenesis with both fructose and fructose co- ingested with glucose. In summary, essential amino acids supplementation blunted increase in hepatic fat content induced by a short term chronic fructose overfeeding. However, EAA failed to improve other cardiovascular risk factors. Under isocaloric condition and in the frame of an acute test meal, physiologic dose of fructose associated with other macronutrients led to the same fructose disposal as when fructose is ingested alone. When co-ingested with glucose, we observed a decrease in fructose oxidation and gluconeogenesis as well as an increased in glycogen storage without affecting other metabolic pathways. - Une consommation élevée en fructose est associée à l'obésité et aux caractéristiques du syndrome métabolique. Ces dernières incluent une résistance à l'insuline, une dyslipidémie, un diabète de type II et la stéatose hépatique, composant hépatique du syndrome métabolique. À court terme une forte consommation en fructose chez l'homme sain est considérée comme un modèle d'étude pour augmenter la teneur en graisse hépatique. Une supplémentation en protéines ajoutée à une alimentation riche en fructose de courte durée a un effet protecteur sur l'accumulation des graisses au niveau du foie. Le métabolisme du fructose après une charge de fructose aiguë est bien établi. Toutefois, ce dernier est généralement étudié quand une consommation élevée de fructose est donnée. L'interaction du fructose avec d'autres macronutriments sur le métabolisme du fructose n'est pas connue. Nous voulions évaluer la modulation du métabolisme du fructose par des facteurs nutritionnels. Pour la première étude, nous avons abordé la question de savoir quel impact aurait une supplémentation en acides aminés essentiels (AEE) associé à une alimentation riche en fructose sur l'accumulation des graisses hépatiques. Nous avons essayé de distinguer les voies métaboliques responsables de l'augmentation des graisses hépatiques induite par l'alimentation riche en fructose et comment ces voies étaient modulées par les AEE. Après 6 jours d'une alimentation hypercalorique riche en fructose, nous avons observé, comme attendu, une augmentation des graisses hépatiques modulée par une augmentation des triglycérides-VLDL et une augmentation de la production de VLDL-13C-palmitate. Lors de la supplémentation en AEE, nous avons observé une diminution des graisses hépatiques mais les mécanismes responsables de ce processus n'ont pas pu être mis en évidence. Avec la seconde étude, nous nous sommes intéressés à observer le métabolisme du fructose après un repas test contenant des lipides, des protéines et une dose physiologique de fructose co-ingéré ou non avec du glucose. Lorsque le fructose était ingéré avec les autres macronutriments, le devenir hépatique du fructose était similaire à celui induit par du fructose pur. Il a induit une oxydation, suivie d'une néoglucogenèses, une synthèse de glycogène, une conversion en lactate et dans une moindre mesure une lipogenèse de novo. Lors de la co-ngestion avec du glucose, nous avons observé une diminution de l'oxydation du fructose et de la néoglucogenèse et une augmentation de la synthèse du glycogène, sans effet sur la lipogenèse de novo ni sur le lactate. Nous avons également pu mettre en évidence que le fructose et le fructose ingéré de façon conjointe avec du glucose ont induit une lipogenèse de novo au niveau de l'intestin. En résumé, la supplémentation en acides aminés essentiels a contrecarré l'augmentation de la teneur en graisse hépatique induite par une suralimentation en fructose sur le court terme. Cependant, la supplémentation en AEE a échoué à améliorer d'autres facteurs de risque cardiovasculaires. Dans la condition isocalorique et dans le cadre d'un repas test aiguë, la dose physiologique de fructose associée à d'autres macronutriments a conduit aux mêmes aboutissants du métabolisme du fructose que lorsque le fructose est ingéré seul. Lors de la co-ngestion avec le glucose, une diminution de l'oxydation du fructose est de la néoglucogenèse est observée en parallèle à une augmentation de la synthèse de glycogène sans affecter les autres voies métaboliques.

Regulation of HCF-1 function via proteolytic maturation and HCF-1 subunit interaction

Abstract : Host-Cell Factor 1 (HCF-1) was first discovered in the study of the herpes simplex virus (HSV) infection. HCF-1 is one of the two cellular proteins that compose the VP16-induced complex, a key activator of HSV lytic infection. lncleed, when HSV infects human cells, it is able to enter two modes of infection: lytic or latent. The V`P16-induced complex promotes the lytic mode and in so doing the virus targets important cellular regulatory proteins, such as HCF-1, to manipulate the status of the infected cell. Indeed, HCF-1 regulates human cell proliferation and the cell cycle at different steps. In human, HCF-1 is unusual in that it undergoes a process of proteolytic maturation that results from cleavages at six centrally located 26 amino acid repeats called HCF-1pro repeats. This generates a heterodimeric complex of stably associated amino- (HCF-1n) and carboxy- (HCF-1c) terminal subunits. The absence of the HCF-1 N or HCF-1; subunit leads predominantly to either G1 or M phase defects, respectively. We have hypothesized that HCF-1 forms a heterodimeric complex to permit communication between the two subunits of HCF-1 involved in regulating different phases of the cell cycle. Indeed, there is evidence for such inter-subunit communication because a point mutation called P134S in the HCF-1N subunit in the temperature-sensitive hamster cell line tsBN67 causes, addition to G1- phase defects associated with the HCF-1n subunit, M-phase defects similar to the defects seen upon loss of HCF-1 function. Furthermore, inhibition of the proteolytic maturation of HCF-1 by deletion of the six HCF-1pro repeats (HCF-1Aimo) also leads to M-phase defects, specifically cytokinesis defects leading to binucleation, indicating that there is loss of HCF-15 function in the absence of HCF-1 maturation. I demonstrate that individual point mutations in each of the six HCF-1pro repeats that prevent HCF-1 proteolytic maturation also lead to binucleation; however, this defect can be latgely rescued by the presence of just one HCF-1pRO sequence in I-ICF»1. These results argue that processing itself is important for the HCF-1g function. In fact, until now, the hypothesis was that the proteolytic processing per se is more important for HCF-1C function than the proteolytic processing region. But I show that processing per se is not sufticient to rescue multinucleation, but that the HCF-lpm sequence itself is crucial. This discovery leads to the conclusion that the I-ICF-1pRO repeats have an additional function important for HCF-le function. From the studies of others, one potential function of the HCF-lrxo tepeats is as a binding site for O-link NAcetyl glycosamine tansferase (OGT) to glycosylate an HCF-1n-sunbunit region called the Basic region. This new function suggests the Basic region of HCF-1n is also implicated in the communication between the two subunits. This inter-subunit communication was analyzed in more detail with the studies of the Pl34S mutation and the residues 382-450 region of HCF-l that when removed prevents HCF-l subunit association. I demonstrate that the point mutation also leads to a binucleation defect in Hela cells as well as in the tsBN67 cells. In addition, the effect of this mutation on the regulation of HCF-1c activity seems to interfere with that of the HCF-lpgg repeats because the sum of the deletion of the proteolytic processing region and the point mutation surprisingly leads to re-establishment of correct cytokinesis. The study of the 382-450 HCF-lN region also yielded surprising results. This region important for the association of the two subunits is also important for both HCF-1c function in M phase and G1 phase progression. Thus, I have discovered two main functions of this region: its role in the regulation of HCF-lc function in M phase and its involvement in the regulation of G1/S phase ?- an HCF-1n function. These results support the importance of inter-subunit communication in HCF-1 functions. My research illuminates the understanding of the interaction of the two subunits by showing that the whole HCF-1n subunit is involved in the inter-subunit communication in order to regulate HCF-1c function. For this work, I was concentrated on the study of cytokinesis; the first phenotype showing the role of HCF-1c in the M phase. Then, I extended the study of the M phase with analysis of steps earlier to cytokinesis. Because some defects in the chromosome segregation was already described in the absence of HCF-1, I decided to continue the study of M phase by checking effects on the chromosome segregation. I showed that the HCF-1n subunit and HCF-1pro repeats are both important for this key step of M phase. I show that the binucleation phenotype resulting from deletion or mutation in HCF-1pro repeats, Pl34S point mutation or the lack of the region 382-450 are correlated with micronuclei, and chromosome segregation and alignment defects. This suggests that HCF«lç already regulates M phase during an early step and could be involved in the complex regulation of chromosome segregation. Because one of the major roles of HCF-1 is to be a transcription regulator, I also checked the capacity of HCF-1 to bind to the chromatin in my different cell lines. All my recombinant proteins can bind the chromatin, except for, as previously described, the HCF-1 with the P134S point mutation, This suggests that the binding of HCF-1 to the chromatin is not dependant to the Basic and proteolytic regions but more to the Kelch domain. Thus, if the function of HCF-ig in M phase is dependant to its chromatin association, the intercommunication and the proteolytic region are not involved in the ability to bind to the chromatin but more to bind to the right place of the chromatin or to be associated with the co-factors. Résumé : L'étude de l'infection par le virus Herpes Simplex (HSV) a permis la découverte de la protéine HCF-1 (Host-Cell Factor). HCF-1 est une des protéines cellulaires qui font partie du complexe induit par VP16 ; ce complexe est la clef pour l'activation de la phase lytique de HSV. Afin de manipuler les cellules infectées, le complexe induit pas le VPIG devrait donc cibler les protéines importantes pour la régulation cellulaire, telles que la protéine HCF-1. Cette dernière s'avère donc être un senseur pour la cellule et devrait également jouer un rôle de régulation lors des différentes phases du cycle cellulaire. Chez l'humain, HCF-1 a la particularité de devoir passer par une phase de maturation pour devenir active. Lors de cette maturation, la protéine subit une coupure protéolytique au niveau de six répétitions composées de 26 acides aminés, appelé HCF-1pro repeats. Cette coupure engendre la formation d'un complexe formé de deux sous-unités, HCF-1n et HCF-1c, associées l'une à l'autre de façon stable. Enlever la sous-unité HCF-IN ou C entraîne respectivement des défauts dans la phase G1 et M. Nous pensons donc que HCF-1 forme un complexe hétérodimérique afin de permettre la communication entre les molécules impliquées dans la régulation des différentes phases du cycle cellulaire. Cette hypothèse est déduite suite à deux études: l'une réalisée sur la lignée cellulaire tsBN67 et l'autre portant sur l'inhibition de la maturation protéolytique. La lignée cellulaire tsBN67, sensible à la température, porte la mutation Pl 345 dans la sous-unité HCF-1n. Cette mutation, en plus d'occasionner des défauts dans la phase G1 (défauts liés à la sous-unité HCF-1N), a aussi pour conséquence d'entrainer des défauts dans la phase M, défauts similaires à ceux dus a la perte de la sous-unité HCF-1c. Quant à la maturation protéolytique, l'absence de la région de la protéolyse provoque la binucléation, défaut lié à la cytokinèse, indiquant la perte de la fonction de la sous-unité HCF-1c. Au cours de ma thèse, j'ai démontré que des mutations dans les HCF-1=no repeats, qui bloquent la protéolyse, engendrent la binucléation ; cependant ce défaut peut être corrigé pas l'ajout d'un HCF-1pro repeat dans un HCF-1 ne contenant pas la région protéolytique. Ces résultats soutiennent l'idée que la région protéolytique est importante pour le bon fonctionnement de HCF-1c. En réalité jusqu'a maintenant on supposait que le mécanisme de coupure était plus important que la région impliquée pour la régulation de la fonction de HCF-1;. Mais mon étude montre que la protéolyse n'est pas suffisante pour éviter la binucléation ; en effet, les HCF-1pro repeats semblent jouer le rôle essentiel dans le cycle cellulaire. Cette découverte conduit à la conclusion que les HCF-1pro repeats ont sûrement une fonction autre qui serait cruciale pour la foncton de HCF-1c. Une des fonctions possibles est d'être le site de liaison de l'O-linked N-acetylglucosamine transférase (OGT) qui glycosylerait la région Basique de HCF-1n. Cette nouvelle fonction suggère que la région Basique est aussi impliquée dans la communication entre les deux sous- unités. L'intercommunication entre les deux sous-unités ai été d'ailleurs analysée plus en détail dans mon travail à travers l'étude de la mutation Pl34S et de la région 382-450, essentielle pour l'association des deux sous»unités. J'ai ainsi démontré que la mutation P134S entraînait aussi des défauts dans la cytokinése dans la lignée cellulaire Hela, de plus, son influence sur HCF-1c semble interférer avec celle de la région protéolytique. En effet, la superposition de ces deux modifications dans HCF-1 conduit au rétablissement d'une cytokinése correcte. Concernant la région 382 à 450, les résultats ont été assez surprenants, la perte de cette région provoque l'arrêt du cycle en G1 et la binucléation, ce qui tend à prouver son importance pour le bon fonctionnement de HCF-1n et de HCF-1c. Cette découverte appuie par conséquent l'hypotl1èse d'une intercommunicatzion entre les deux sous-unités mettant en jeu les différentes régions de HCF-1n. Grâce à mes recherches, j'ai pu améliorer la compréhension de l'interaction des deux sous-unités de HCF-1 en montrant que toutes les régions de HCF-1n sont engagées dans un processus d'intercommunication, dont le but est de réguler l'action de HCF-1c. J'ai également mis en évidence une nouvelle étape de la maturation de HCF-1 qui représente une phase importante pour l'activation de la fonction de HCF-1c. Afin de mettre à jour cette découverte, je me suis concentrée sur l'étude de l'impact de ces régions au niveau de la cytokinése qui fut le premier phénotype démontrant le rôle de HCF-1c dans la phase M. A ce jour, nous savons que HCF-1c joue un rôle dans la cytokinèse, nous ne connaissons pas encore sa fonction précise. Dans le but de cerner plus précisément cette fonction, j'ai investigué des étapes ultérieures ai la cytokinèse. Des défauts dans la ségrégation des chromosomes avaient déjà été observés, ai donc continué l'étude en prouvant que HCF-1n et les HCF-1pro repeats sont aussi importants pour le bon fonctionnement de cette étape clef également régulée par HCF-1c. J' ai aussi montré que la région 382-450 et la mutation P134S sont associées à un taux élevé de micronoyaux, de défauts dans la ségrégation des chromosomes. L'une des fonctions principales de HCF-1 étant la régulation de la transcription, j'ai aussi contrôlé la capacité de HCF-1 à se lier à la chromatine après insertion de mutations ou délétions dans HCF-1n et dans la région protéolytique. Or, à l'exception des HCF-1 contenant la mutation P134S, la sous-unité HCF-1c des HCF-1 tronquées se lie correctement à la chromatine. Cette constatation suggère que la liaison entre HCF-1c et chromatine n'est pas dépendante de la région Basique ou Protéolytique mais peut-être vraisemblablement de la région Kelch. Donc si le rôle de HCF-1c est dépendant de sa capacité â activer la transcription, l'intercommunication entre les deux sous-unités et la région protéolytique joueraient un rôle important non pas dans son habileté à se lier à la chromatine, mais dans la capacité de HCF-1 à s'associer aux co-facteurs ou à se placer sur les bonnes régions du génome.

PPAR beta a player in astrocyte metabolism and morphology

AbstractPPARP is a nuclear receptor responding in vivo to several free fatty acids, and implicated in cell metabolism, differentiation and survival. PPARp is ubiquitously expressed but shows high expression in the developing and adult brain. PPARp is expressed in different cell types such as neurons and astrocytes, where it might play a role in metabolism. To study this nuclear receptor the laboratory engineered a PPARP -/- mouse model. The aim of my PhD was to dissect the role of PPARP in astrocytes.Experiments in primary culture revealed that cortical astrocytes from PPARP -/- mouse have an impaired energetic metabolism. Unstimulated PPARP -/- astrocytes exhibit a 30% diminution in glucose uptake, correlating to a 30% decrease in lactate release and intracellular glucose. After acute stimulation by D- aspartate mimicking glutamate exposure, both WT and -/- astrocytes up-regulate their metabolism to respond to the increasing energy needed (ATP) for glutamate uptake. According to the Astrocyte Neuron Lactate Shuttle Hypothesis (ANLSH), the ratio between glucose uptake/ lactate release is 1. However, stimulated PPARp -/- astrocytes display a higher increase in lactate release than glucose uptake which remains lower than in WT. The extra glucose equivalents could come from the degradation of intra cellular glycogen stores, which indeed decrease in PPARP -/- cells upon stimulation. Lower glucose metabolism correlates with a decreased acute glutamate uptake in PPARP -/- astrocytes. Reciprocally, we also observed an increase of glutamate uptake and ATP production after treatment of WT astrocytes with a PPARp agonist. Glutamate transporter protein expression is not affected. However, their trafficking and localization might be altered as PPARp -/- astrocytes have higher cholesterol levels, which may also affect proper transporter structure in the membrane.Metabolism, transporter localization and cholesterol levels are respectively linked to cell mobility, cell cytoskeleton and cellular membrane composition. All three functions are important in astrocytes to in vivo acquire star shaped morphology, in a process known as stellation. PPARP -/- astrocytes showed an impaired acquired stellation in presence of neurons or chemical stimuli, as well as more actin stress fibers and cell adhesion structures. While non stellation of astrocytes is mainly an in vitro phenomenon, it reveals PPARp -/- primary astrocytes inability to respond to different exterior stimuli. These morphological phenotypes correlate with a slower migration in cell culture wound healing assays.This thesis work demonstrates that PPARp is implicated in cortical astrocyte glucose metabolism. PPARp absence leads to an unusual intracellular glycogen use. Added to the effect on acute glutamate uptake and astrocyte migration, PPARp could be an interesting target for neuroprotection therapies.RésuméPPARP est un récepteur nucléaire qui a pour ligands naturels certains acides gras libres. Il est impliqué dans le métabolisme, la différentiation et la survie des cellules. PPARP est ubiquitaire, et a une expression élevée dans le cerveau en développement ainsi qu'adulte. PPARp est exprimé dans différents types cellulaires tels que les neurones et les astrocytes, où il régule potentiellement leurs métabolismes. Pour étudier ce récepteur nucléaire, le laboratoire a créé un modèle de souris PPARp -/-. L'objectif de ma thèse est de comprendre le rôle de PPARp dans les astrocytes.Les expériences montrent un défaut du métabolisme énergétique dans les astrocytes corticaux primaires tirés de souris PPARp -/-. Sans stimulation, l'entrée du glucose dans les astrocytes PPARP -/- est diminuée de 30% ce qui correspond à une diminution de 30% du relargage du lactate. Après stimulation par du D-Aspartate qui mime une exposition au glutamate, les astrocytes WT et -/- augmentent leur métabolisme en réponse à la demande accrue en énergie (ATP) due à l'entrée du glutamate. D'après l'Astrocyte Neuron Lactate Shuttle Hypothesis (ANLSH), le ratio entre le glucose entrant et le lactate sortant est de 1. Cependant le relargage du lactate dans les astrocytes PPARP-/- est plus élevé que l'entrée du glucose. L'apport supplémentaire de glucose transformé en lactate pourrait provenir de la dégradation des stocks de glycogène intracellulaire, qui sont partiellement diminués après stimulation dans les cellules PPARP -/-. Un métabolisme plus faible du glucose corrèle avec une réduction de l'import du glutamate dans les astrocytes PPARp -/-. Réciproquement, nous observons une augmentation de l'import du glutamate et de la production d'ATP après traitement avec l'agoniste pour PPARp. Bien que l'expression des transporteurs de glutamate ne soit pas affectée, nous ne pouvons pas exclure que leur localisation et leur structure soient altérées du fait du niveau élevé de cholestérol dans les astrocytes PPARp -/-.Le métabolisme, la localisation des transporteurs et le niveau de cholestérol sont tous liés au cytosquelette, à la mobilité, et à la composition des membranes cellulaires. Toutes ces fonctions sont importantes pour les astrocytes pour acquérir leur morphologie in vivo. Les astrocytes PPARP -/- présentent un défaut de stellation, aussi bien en présence de neurones que de stimuli chimiques, ainsi qu'un plus grand nombre de fibres de stress (actine) et de structures d'adhésion cellulaire. Bien que les astrocytes non stellaires soient principalement observés in vitro, le défaut de stellation des astrocytes primaires PPARp -/- indique une incapacité à répondre aux différents stimuli extérieurs. Ces phénotypes morphologiques corrèlent avec une migration plus lente en cas de lésion de la culture.Ce travail de thèse a permis de démontrer l'implication de PPARP dans le métabolisme du glucose des astrocytes corticaux. L'absence de ce récepteur nucléaire amène à l'utilisation du glucose intracellulaire, auquel s'ajoutent les effets sur l'import du glutamate et la migration des astrocytes. PPARp aurait des effets neuroprotecteurs, et de ce fait pourrait être utilisé à des fins thérapeutiques.