Role of the inflammasome in murine experimental models of arthritis

Summary : The purpose of this study was to investigate the role of the inflammasome in human and experimental murine models (such as ΑΙΑ and K/BxN) of rheumatoid arthritis (RA)RA, affecting 1% of the population is the most frequent inflammatory disease characterized by synovial hyperplasia and cartilage and bone erosion, leading to joint destruction. In general, women are 3 times more affected by RA suggesting a role of estrogen in this disease. The inflammasome is a multiproteic complex triggering the activation of caspase-1 leading to the activation of IL-1 β, an important pro-inflammatory cytokine implicated in arthritis. The inflammasome has been implicated in several inflammatory diseases and particularly in gout. To highlight a possible role of the inflammasome in murine arthritis, we obtained ASC, caspase-1 and NALP3 +/+ and -/- littermate mice to perform ΑΙΑ and K/BxN arthritis. NALP3 -/- and caspase-1 -/- mice were as arthritic as wild type littermate mice in both ΑΙΑ and K/BxN models implicating that the NALP3 inflammasome is not involved in experimental arthritis. By contrast, ΑΙΑ severity was significantly diminished in ASC- deficient male and female mice, and in the K/BxN model, in ASC-deficient female mice. These results were supported by histological scoring and acute phase protein serum amyloid A (SAA) levels that were equivalent between NALP+/+ and NALP3-/- mice and diminished in ASC -/- mice. In ΑΙΑ and K/BxN murine experimental models, we observed a sexdependent phenotype. We studied the role of estradiol in both the ALA and the K/BxN models. Castrated female or male ASC -/- mice that received estradiol had a decreased arthritis severity. This implies a protective role of estrogen in the absence of ASC. In the ΑΙΑ model, proliferation assay were performed using splenocytes from mBSA- immunized ASC +/+ and -/- mice. The mBSA-induced proliferation was significantly lower in ASC-/- splenocytes. Moreover the CD3-specific proliferation of purified splenic Τ cells was significantly lower in ASC-/- cells. Finally, Τ cells from ASC-/- mice produced significantly decreased levels of IFN-gamma associated with increased levels of IL-10. These results imply a possible role of ASC in the TCR-signaling pathway and Τ cell cytokine production. In parallel the expression of the different inflammasome components were analyzed in biopsies from rheumatoid arthritis (RA) and osteoarthritis (OA) patiens. The expression of the 14 different NALPs, their effector protein ASC, and caspase-1 and -5 was readily measurable by RT-PCR in a similar proportion in RA and OA synovial samples, with the exception of NALP-5 and NALP-13, which weren't found in samples from either disease. The corresponding NALP1, -3, -12 and ASC proteins were expressed at similar levels in both OA and RA biopsies, as determined by immunohistochemistry and Western-blot analysis. By contrast, caspase-1 levels were significantly enhanced in RA synovial tissues compared to those from OA patients. NALP-1, -2, -3, -10, -12 and -14, as well as ASC, caspase-1, and -5 were detected in RNA from unstimulated and stimulated RA synoviocytes. In FLS, only ASC and caspase-1 were expressed at the protein level. NALP1, 3 and 12 were not detected. However, upon stimulation, no secreted IL-Ιβ was detectable in either RA or in OA synoviocytes culture medium. Résumé : Le but de ce projet était d'étudier le rôle de l'inflammasome dans des modèles expérimentaux d'arthrite tels que les modèles ΑΙΑ et K/BxN ainsi que dans la polyarthrite humaine (RA). La polyarthrite est une maladie inflammatoire très fréquente avec 1 % de la population affectée et touche 3 fois plus les femmes que les hommes, suggérant un rôle des hormones sexuelles dans cette pathologie. L'inflammasome est un complexe multiprotéique qui permet l'activation de la caspase-1, une cystéine protéase qui va ensuite cliver et activer rinterleukine-ΐβ (IL-Ιβ). L'inflammasome a été impliqué ces dernières années dans de nombreuses maladies inflammatoires notamment dans la goutte. Pour mettre en évidence un éventuel rôle de l'inflammasome dans l'arthrite expérimentale nous avons obtenu des souris déficientes pour certains des composants de l'inflammasome tels que ASC, NALP3 et caspase-1. Les souris NALP3 déficientes et caspase-1 déficientes sont aussi arthritiques que les souris wild type correspondantes que ce soit dans le modèle ΑΙΑ ou K/BxN. Par contre les souris mâles et femelles ASC-déficientes sont moins arthritiques que les souris +/+ correspondantes dans le modèle ΑΙΑ. Dans le modèle KRN, le même phénotype (diminution de la sévérité de l'arthrite) est observé uniquement chez les femelles ASC-/- Ce phénotype est corrélé avec l'histologie ainsi qu'avec le dosage du serum amyloid A (SAA) qui reflète l'inflammation systémique et qui est diminué chez les souris ASC-déficientes. Nous avons ensuite étudié le rôle de Γ estradiol (une des formes active des estrogènes) dans les modèles K/BxN et ΑΙΑ. Les souris castrées maies ou femelles déficientes pour ASC ayant reçu de l'estradiol ont une arthrite moins sévère ce qui implique que les estradiol ont un effet protecteur en l'absence de ASC. Dans le modèle ΑΙΑ, nous nous sommes aussi intéressés à la réponse immune. Des tests de prolifération ont été effectués sur des splénocytes en présence de mBSA (qui est l'antigène utilisé dans le modèle ΑΙΑ). Les splénocytes ASC -/- ont une proliferation qui est diminuée en présence de l'antigène. De plus la proliferation de cellules Τ spléniques purifiées en présence d'anti-CD3 est diminuée chez les cellules Τ ASC-/-. Ces résultats nous indiquent une éventuelle implication de ASC dans la signalisation par le récépteur des cellules T. En parallèle l'expression des différents composants de l'inflammasome a été analysée dans des biopsies de patients atteints de polyarthrite rhumatoide (RA) et d'arthrose (OA). L'expression des 14 différents NALPs, de l'adaptateur ASC, ainsi que des caspase-1 et -5 était similaires dans les échantillons RA et OA, à l'exception de NALP5 et 13 qui n'étaient pas détéctables. L'expression protéique de NALP1, 3, 12 et ASC effectuée par Western blot et immunohistochimie était similaire dans les biopsies RA et OA. Par contre la quantité de la caspase-1 mesurée par ELISA était augmentée de façon significative dans les extraits protéiques de biopsies RA. NALP-1, -2. -3, -10, -12, and -14 ainsi que ASC, caspase-1 et -5 étaient exprimés de façon similaire par les synoviocytes RA non stimulés et stimulés. Dans les synoviocytes seuls ASC et caspase-1 étaient détéctable au niveau protéique. NALP-1, -3 et -12 n'était pas détéctables. Cependant après stimulation il n'y avait d'IL-Ιβ sécrété que ce soit dans les surnageants de cultures de synoviocytes RA ou OA.

Towards a resolution of conflicting models of illusory contour processing in humans.

Despite myriad studies, neurophysiologic mechanisms mediating illusory contour (IC) sensitivity remain controversial. Among the competing models one favors feed-forward effects within lower-tier cortices (V1/V2). Another situates IC sensitivity first within higher-tier cortices, principally lateral-occipital cortices (LOC), with later feedback effects in V1/V2. Still others postulate that LOC are sensitive to salient regions demarcated by the inducing stimuli, whereas V1/V2 effects specifically support IC sensitivity. We resolved these discordances by using misaligned line gratings, oriented either horizontally or vertically, to induce ICs. Line orientation provides an established assay of V1/V2 modulations independently of IC presence, and gratings lack salient regions. Electrical neuroimaging analyses of visual evoked potentials (VEPs) disambiguated the relative timing and localization of IC sensitivity with respect to that for grating orientation. Millisecond-by-millisecond analyses of VEPs and distributed source estimations revealed a main effect of grating orientation beginning at 65 ms post-stimulus onset within the calcarine sulcus that was followed by a main effect of IC presence beginning at 85 ms post-stimulus onset within the LOC. There was no evidence for differential processing of ICs as a function of the orientation of the grating. These results support models wherein IC sensitivity occurs first within the LOC.

Alkylpurine-DNA-N-glycosylase confers resistance to temozolomide in xenograft models of glioblastoma multiforme and is associated with poor survival in patients.

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and lethal of all gliomas. The current standard of care includes surgery followed by concomitant radiation and chemotherapy with the DNA alkylating agent temozolomide (TMZ). O⁶-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) repairs the most cytotoxic of lesions generated by TMZ, O⁶-methylguanine. Methylation of the MGMT promoter in GBM correlates with increased therapeutic sensitivity to alkylating agent therapy. However, several aspects of TMZ sensitivity are not explained by MGMT promoter methylation. Here, we investigated our hypothesis that the base excision repair enzyme alkylpurine-DNA-N-glycosylase (APNG), which repairs the cytotoxic lesions N³-methyladenine and N⁷-methylguanine, may contribute to TMZ resistance. Silencing of APNG in established and primary TMZ-resistant GBM cell lines endogenously expressing MGMT and APNG attenuated repair of TMZ-induced DNA damage and enhanced apoptosis. Reintroducing expression of APNG in TMZ-sensitive GBM lines conferred resistance to TMZ in vitro and in orthotopic xenograft mouse models. In addition, resistance was enhanced with coexpression of MGMT. Evaluation of APNG protein levels in several clinical datasets demonstrated that in patients, high nuclear APNG expression correlated with poorer overall survival compared with patients lacking APNG expression. Loss of APNG expression in a subset of patients was also associated with increased APNG promoter methylation. Collectively, our data demonstrate that APNG contributes to TMZ resistance in GBM and may be useful in the diagnosis and treatment of the disease.

Improving plant functional groups for dynamic models of biodiversity: at the crossroads between functional and community ecology

The pace of on-going climate change calls for reliable plant biodiversity scenarios. Traditional dynamic vegetation models use plant functional types that are summarized to such an extent that they become meaningless for biodiversity scenarios. Hybrid dynamic vegetation models of intermediate complexity (hybrid-DVMs) have recently been developed to address this issue. These models, at the crossroads between phenomenological and process-based models, are able to involve an intermediate number of well-chosen plant functional groups (PFGs). The challenge is to build meaningful PFGs that are representative of plant biodiversity, and consistent with the parameters and processes of hybrid-DVMs. Here, we propose and test a framework based on few selected traits to define a limited number of PFGs, which are both representative of the diversity (functional and taxonomic) of the flora in the Ecrins National Park, and adapted to hybrid-DVMs. This new classification scheme, together with recent advances in vegetation modeling, constitutes a step forward for mechanistic biodiversity modeling.

Case studies and mathematical models of ecological speciation. 1. Cichlids in a crater lake.

A recent study of a pair of sympatric species of cichlids in Lake Apoyo in Nicaragua is viewed as providing probably one of the most convincing examples of sympatric speciation to date. Here, we describe and study a stochastic, individual-based, explicit genetic model tailored for this cichlid system. Our results show that relatively rapid (<20,000 generations) colonization of a new ecological niche and (sympatric or parapatric) speciation via local adaptation and divergence in habitat and mating preferences are theoretically plausible if: (i) the number of loci underlying the traits controlling local adaptation, and habitat and mating preferences is small; (ii) the strength of selection for local adaptation is intermediate; (iii) the carrying capacity of the population is intermediate; and (iv) the effects of the loci influencing nonrandom mating are strong. We discuss patterns and timescales of ecological speciation identified by our model, and we highlight important parameters and features that need to be studied empirically to provide information that can be used to improve the biological realism and power of mathematical models of ecological speciation.

Dynamic models of viral replication and latency.

PURPOSE OF REVIEW: HIV targets primary CD4(+) T cells. The virus depends on the physiological state of its target cells for efficient replication, and, in turn, viral infection perturbs the cellular state significantly. Identifying the virus-host interactions that drive these dynamic changes is important for a better understanding of viral pathogenesis and persistence. The present review focuses on experimental and computational approaches to study the dynamics of viral replication and latency. RECENT FINDINGS: It was recently shown that only a fraction of the inducible latently infected reservoirs are successfully induced upon stimulation in ex-vivo models while additional rounds of stimulation make allowance for reactivation of more latently infected cells. This highlights the potential role of treatment duration and timing as important factors for successful reactivation of latently infected cells. The dynamics of HIV productive infection and latency have been investigated using transcriptome and proteome data. The cellular activation state has shown to be a major determinant of viral reactivation success. Mathematical models of latency have been used to explore the dynamics of the latent viral reservoir decay. SUMMARY: Timing is an important component of biological interactions. Temporal analyses covering aspects of viral life cycle are essential for gathering a comprehensive picture of HIV interaction with the host cell and untangling the complexity of latency. Understanding the dynamic changes tipping the balance between success and failure of HIV particle production might be key to eradicate the viral reservoir.

Constraining ACT-R models of decision strategies: An experimental paradigm

It has been repeatedly debated which strategies people rely on in inference. These debates have been difficult to resolve, partially because hypotheses about the decision processes assumed by these strategies have typically been formulated qualitatively, making it hard to test precise quantitative predictions about response times and other behavioral data. One way to increase the precision of strategies is to implement them in cognitive architectures such as ACT-R. Often, however, a given strategy can be implemented in several ways, with each implementation yielding different behavioral predictions. We present and report a study with an experimental paradigm that can help to identify the correct implementations of classic compensatory and non-compensatory strategies such as the take-the-best and tallying heuristics, and the weighted-linear model.

Phenotypic and molecular characterization of the onset of neuropathy in rodent models of diabetes mellitus

Abstract : The principal focus of this work was to study the molecular changes leading to the development of diabetic peripheral neuropathy (DPN). DPN is the most common complication associated with both type I and II diabetes mellitus (DM). This pathology is the leading cause of non-traumatic amputations. Even though the pathological and morphological changes underlying DPN are relatively well described, the implicated molecular mechanisms remain poorly understood. The following two approaches were developed to study the development of DPN in a rodent model of DM type I. As a first approach, we studied the implication of lipid metabolism in DPN phenotype, concentrating on Sterol Response Element Binding Protein (SREBP)-lc which is the key regulator of storage lipid metabolism. We showed that SREBP-1c was expressed in peripheral nerves and that its expression profile followed the expression of genes involved in storage lipid metabolism. In addition, the expression of SREBP-1c in the endoneurium of peripheral nerves was dependant upon nutritional status and this expression was also perturbed in type I diabetes. In line with this, we showed that insulin elevated the expression of SREBP-1c in primary cultured Schwann cells by activating the SREBP-1c promoter. Taken together, these findings reveal that SREBP-1c expression in Schwann cells responds to metabolic stimuli including insulin and that this response is affected in type I diabetes mellitus. This suggests that disturbed SREBP-1c regulated lipid metabolism may contribute to the pathophysiology of DPN. As a second approach, we performed a comprehensive analysis of the molecular changes associated with DPN in the Akital~1~+ mouse which is a model of spontaneous early-onset type I diabetes mellitus. This mouse expresses a mutated non-functional isoform of insulin, leading to hypoinsulinemia and hyperglycaemia. To determine the onset of DPN, weight, blood glucose and motor nerve conduction velocity (MNCV) were measured in Akital+/+ mice during the first three months of life. A decrease in MNCV was evident akeady one week after the onset of hyperglycemia. To explore the molecular changes associated with the development of DPN in these mice, we performed gene expression profiling using sciatic nerve endoneurium and dorsal root ganglia (DRG) isolated from early diabetic male Akita+/+ mice and sex-matched littermate controls. No major transcriptional changes were detected either in the DRG or in the sciatic nerve endoneurium. This experiment indicates that the phenotypic changes observed during the development of DPN are not correlated with major transcriptional alterations, but mainly with alterations at the protein level. Résumé Lors ce travail, nous nous sommes intéressés aux changements moléculaires aboutissant aux neuropathies périphériques dues au diabète (NPD). Les NPD sont la complication la plus commune du diabète de type I et de type II. Cette pathologie est une cause majeure d'amputations. Même si les changements pathologiques et morphologiques associés aux NPD sont relativement bien décrits, les mécanismes moléculaires provoquant cette pathologie sont mal connus. Deux approches ont principalement été utilisées pour étudier le développement des NPD dans des modèles murins du diabète de type I. Nous avons d'abord étudié l'impact du métabolisme des lipides sur le développement des NPD en nous concentrant sur Sterol Response Element Binding Protein (SREBP)-1 c qui est un régulateur clé des lipides de stockage. Nous avons montré que SREBP-1 c est exprimé dans les nerfs périphériques et que son profil d'expression suit celui de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides de stockage. De plus, l'expression de SREBP-1c dans l'endoneurium des nerfs périphériques est dépendante du statut nutritionnel et est dérégulée lors de diabète de type I. Nous avons également pu montrer que l'insuline augmente l'expression de SREBP-1c dans des cultures primaires de cellules de Schwann en activant le promoteur de SREBP-1c. Ses résultats démontrent que l'expression de SREBP-1c dans les cellules de Schwann est contrôlée par des stimuli métaboliques comme l'insuline et que cette réponse est affectée dans le cas d'un diabète de type I. Ces données suggèrent que la dérégulation de l'expression de SREBP-1c lors du diabète pourrait affecter le métabolisme des lipides et ainsi contribuer à la pathophysiologie des NPD. Comme seconde approche, nous avons réalisé une analyse globale des changements moléculaires associés au développement des NPD chez les souris Akita+/+, un modèle de diabète de type I. Cette souris exprime une forme mutée et non fonctionnelle de l'insuline provoquant une hypoinsulinémie et une hyperglycémie. Afin de déterminer le début du développement de la NPD, le poids, le niveau de glucose sanguin et la vitesse de conduction nerveuse (VCN) ont été mesurés durant les 3 premiers mois de vie. Une diminution de la VCN a été détectée une semaine seulement après le développement de l'hyperglycémie. Pour explorer les changements moléculaires associés avec le développement des NPD, nous avons réalisé un profil d'expression de l'endoneurium du nerf sciatique et des ganglions spinaux isolés à partir de souris Akital+/+ et de souris contrôles Akita+/+. Aucune altération transcriptionnelle majeure n'a été détectée dans nos échantillons. Cette expérience suggère que les changements phénotypiques observés durant le développement des NPD ne sont pas corrélés avec des changements importants au niveau transcriptionnel, mais plutôt avec des altérations au niveau protéique. Résumé : Lors ce travail, nous nous sommes intéressés aux changements moléculaires aboutissant aux neuropathies périphériques dues au diabète (NPD). Les NPD sont la complication la plus commune du diabète de type I et de type II. Cette pathologie est une cause majeure d'amputations. Même si les changements pathologiques et morphologiques associés aux NPD sont relativement bien décrits, les mécanismes moléculaires provoquant cette pathologie sont mal connus. Deux approches ont principalement été utilisées pour étudier le développement des NPD dans des modèles murins du diabète de type I. Nous avons d'abord étudié l'impact du métabolisme des lipides sur le développement des NPD en nous concentrant sur Sterol Response Element Binding Protein (SREBP)-1c qui est un régulateur clé des lipides de stockage. Nous avons montré que SREBP-1 c est exprimé dans les nerfs périphériques et que son profil d'expression suit celui de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides de stockage. De plus, l'expression de SREBP-1c dans l'endoneurium des nerfs périphériques est dépendante du statut nutritionnel et est dérégulée lors de diabète de type I. Nous avons également pu montrer que l'insuline augmente l'expression de SREBP-1c dans des cultures primaires de cellules de Schwann en activant le promoteur de SREBP-1c. Ses résultats démontrent que l'expression de SREBP-1c dans les cellules de Schwann est contrôlée par des stimuli métaboliques comme l'insuline et que cette réponse est affectée dans le cas d'un diabète de type I. Ces données suggèrent que la dérégulation de l'expression de SREBP-1c lors du diabète pourrait affecter le métabolisme des lipides et ainsi contribuer à la pathophysiologie des NPD. Comme seconde approche, nous avons réalisé une analyse globale des changements moléculaires associés au développement des NPD chez les souris Akita~~Z~+, un modèle de diabète de type I. Cette souris exprime une forme mutée et non fonctionnelle de l'insuline provoquant une hypoinsulinémie et une hyperglycémie. Afin de déterminer le début du développement de la NPD, le poids, le niveau de glucose sanguin et la vitesse de conduction nerveuse (VCN) ont été mesurés durant les 3 premiers mois de vie. Une diminution de la VCN a été détectée une semaine seulement après le développement de l'hyperglycémie. Pour explorer les changements moléculaires associés avec le développement des NPD, nous avons réalisé un profil d'expression de l'endoneurium du nerf sciatique et des ganglions spinaux isolés à partir de souris Akital+/+ et de souris contrôles Akita+/+. Aucune altération transcriptionnelle majeure n'a été détectée dans nos échantillons. Cette expérience suggère que les changements phénotypiques observés durant le développement des NPD ne sont pas corrélés avec des changements importants au niveau transcriptionnel, mais plutôt avec des altérations au niveau protéique.

Integrating nuclear receptor mobility in models of gene regulation.

The mode of action of nuclear receptors in living cells is an actively investigated field but much remains hypothetical due to the lack, until recently, of methods allowing the assessment of molecular mechanisms in vivo. However, these last years, the development of fluorescence microscopy methods has allowed initiating the dissection of the molecular mechanisms underlying gene regulation by nuclear receptors directly in living cells or organisms. Following our analyses on peroxisome proliferator activated receptors (PPARs) in living cells, we discuss here the different models arising from the use of these tools, that attempt to link mobility, DNA binding or chromatin interaction, and transcriptional activity.

Global habitat suitability models of terrestrial mammals.

Detailed large-scale information on mammal distribution has often been lacking, hindering conservation efforts. We used the information from the 2009 IUCN Red List of Threatened Species as a baseline for developing habitat suitability models for 5027 out of 5330 known terrestrial mammal species, based on their habitat relationships. We focused on the following environmental variables: land cover, elevation and hydrological features. Models were developed at 300 m resolution and limited to within species' known geographical ranges. A subset of the models was validated using points of known species occurrence. We conducted a global, fine-scale analysis of patterns of species richness. The richness of mammal species estimated by the overlap of their suitable habitat is on average one-third less than that estimated by the overlap of their geographical ranges. The highest absolute difference is found in tropical and subtropical regions in South America, Africa and Southeast Asia that are not covered by dense forest. The proportion of suitable habitat within mammal geographical ranges correlates with the IUCN Red List category to which they have been assigned, decreasing monotonically from Least Concern to Endangered. These results demonstrate the importance of fine-resolution distribution data for the development of global conservation strategies for mammals.