Function and regulation of the scaffold protein IB1/JIP-1 in the uro-genital tract.

RESUME Ce mémoire de thèse traite de l'étude de la « scaffold »protéine ou protéine «échafaud», « Islet-Brain1/ JNK Interacting Protein 1 » (IB1/JIP-1) dans la vessie et la prostate, deux organes importants de l'appareil uro-genital. Cette protéine, mise en évidence dans notre laboratoire à la fin des année 90, a été reconnue pour réguler la voie de signalisation des « Mitogen-Activated Protein Kinases » (MAPKs), et en particulier de la MAPK appelée c-Jun N-terminal Kinase (JNK). Le réseau de voie de signalisation permet aux cellules de percevoir les changements dans le milieu extracellulaire et de permettre une réponse appropriée à ces différents stimuli. La connaissance des voies de signalisation a permis de mettre en évidence leur rôle crucial tant dans l'homéostase des tissus sains que dans des processus pathologiques comme l'oncogenèse. Parmi une vingtaine de voie de signalisation, la voie de signalisation des «MAPKinases » est une des plus importantes et a été montrée pour participer à diverses fonctions cellulaires telles que la différentiation, la motilité, la division et la mort cellulaire. La voie de signalisation des « MAPKinases » est typiquement constituée d'un module de trois kinases qui s'activent séquentiellement par phosphorylation. On note la présence d'une MAPK, d'un activateur de MAPK et d'un activateur de l'activateur de MAPK. Une fois la MAPK activée, elle permettra la régulation de différentes cibles dont certain facteur de transcription. Chez les mammifères, il existe 3 grands groupes de MAPKs : the extracellular signal-regulated kinase 1 and 2 (ERK 1/2) cascade, qui régule préférentiellement la croissance et la différentiation cellulaire, ainsi que les cascades JNK et p38 qui régulent préférentiellement la réponse à différents stress cellulaires telle que l'inflammation ou l'apoptose. JNK est activé par différents stress cellulaire telle que les cytokines inflammatoires. JNK est également requis au cours du développement embryonnaire et contribue à la mort (apoptose) ou à la prolifération cellulaire. Plusieurs études ont mis en évidence le rôle de JNK durant le processus tumoral, sans que son rôle soit clairement identifié. JNK pourrait avoir des fonctions différentes durant l'initiation puis de la progression tumorale. Chez les mammifères, les voies de signalisation intracellulaires forment un réseau complexe et elles interagissent entre elles, ce qui permet aux cellules une réponse adéquate aux multitudes de stimuli existants dans les organismes pluricellulaires. Parmi plusieurs mécanismes de régulation, les protéines dites « scaffold » ou «échafaud » jouent un rôle crucial dans l'homéostase de la voie de signalisation des «MAPKinase ». L'introduction revoit brièvement ces différents aspects, de la voie de signalisation des «MAPKinase et des connaissance sur IB1/JIP-1. Les premières études effectuées sur IB1/JIP-1 ont montré une expression relativement spécifique de cette protéine dans certains types de neurones ainsi que dans la cellule beta-sécrétrice d'insuline. IB1/JIP-1 régule la voie de signalisation JNK par interaction avec les différents composants du module, modifiant ainsi le spectre de substrats activés par JNK. La fonction précise de IB1/JIP-1 n'était pas encore élucidée, mais plusieurs travaux mettaient en lumière un rôle dans la régulation, et la sous-location cellulaire des composants de la voie de signalisation JNK, ainsi que dans la survie cellulaire à certain stress. Cette expression relativement spécifique est intrigante car elle suggère que sa présence serait nécessaire à une régulation spécifique de la MAPKinase JNK ou à certaines autres fonctions cellulaires également spécifiques de certains tissus. Le premier but de ce travail a consisté à mettre en évidence l'expression de IB1/JIP-1 dans l'appareil uro-génital et plus particulièrement dans la vessie et la prostate. Nos résultats ont montré que IB1/JIP-1 est spécifiquement exprimé au niveau de l'urothélium vésical, mais pas dans le muscle lisse. Il en est de même au niveau de la prostate où IB1/JIP-1 est exprimé spécifiquement au niveau de l'épithélium sécrétoire et absent au niveau du stroma fibro-musculaire. La vessie et la prostate sont des organes ou l'activité JNK pourrait être crucial tant dans l' homeostase tissulaire que dans le développement de pathologies bénignes ou malignes. La vessie et la prostate sont le siège fréquent de tumeur. La base pour le développement du cancer est complexe et implique plusieurs anomalies génétiques. Ce processus complexe lié au développement tumoral est encore loin d`être complètement élucidé, raison pour laquelle il est crucial de poursuivre l'étude des différents gènes pouvant être impliqué dans ces processus ou pouvant être utilisé comme outil thérapeutique. Dans l'urothelium de la vessie, la fonction de la MAPK JNK n'a été que très peu étudiée. Il existe quelques études, in vitro, suggérant une implication possible de cette voie de signalisation dans des processus telle que le développement ou la progression tumorale. Le chapitre 1 décrit une étude in vivo dans la vessie un modèle de stress mécanique, connu pour activer les MAPKinase. La dilatation vésicale, due à une obstruction urétrale, a mis en évidence une diminution de l'expression de IB1/JIP-1 ainsi qu'une activation de la MAPKinase JNK. Dans ce modèle, la régulation de IB1/JIP-1, par l'intermédiaire d'un vecteur viral, a permis de démontrer que IB1/JIP-1 régulait l'activité de JNK dans ce tissu. Pour poursuivre l'étude de cette fonction d' IB1/JIP-1 dans l'urothélium, nous avons investigué l'activité JNK dans des souris génétiquement modifiées et porteuse d'une délétion de 1 des 2 allèles du gène codant pour IB1/JIP-1, avec un contenu en IB1/JIP-1 diminué de moitié. L'activation de JNK est également augmentée dans l'urothelium au repos de ces souris, ce qui confirme la fonction régulatrice de JNK par IB1/JIP-1. Ces résultats ont permis de mettre en évidence un rôle critique de celle-ci dans l'homéostase de I`urothelium et suggère une nouvelle cible pour réguler la voie de signalisation dans ce tissu. En outre, la modulation des niveaux d'expression d'IB1/JIP-1 dans la vessie, in vivo, par l'intermédiaire de vecteurs viraux s'est révélée réalisable et indique un moyen élégant pour développer une thérapie génique dans cet organe. Un autre élément de ce travail de thèse, révélée au chapitre 2, a été d'étudier la régulation dans la vessie de rat de la communication intercellulaire de type « GAP ». Les cellules adjacentes partagent des ions, messagers secondaires et des petits métabolites par l'intermédiaire de canaux intercellulaire qui forment les jonctions de type « GAP ». Ce type de communications intercellulaire permet une activité cellulaire coordonnée, une caractéristique importante pour l'homéostase des organismes multicellulaire. Ce type de communication intercellulaire est formé de 2 demi-canaux appelés connexons. Chaque connexon est formé de six protéines appelées connexins (Cx). Il existe environ vingt connexines différentes nommées par leur poids moléculaire respectif. Les jonctions de type canaux "GAP" permettent aux cellules de communiquer avec les cellules voisines au quelles elles sont mécaniquement ou électriquement couplées. La vessie peut être particulièrement dépendante de la communication intercellulaire par les canaux « Gap » qui permettrait de coordonner la réponse de la musculature ainsi que de l'urothélium à l'augmentation de la pression transmurale du à l'accumulation d'urine, situation fréquemment observée dans le cadre de l'hyperplasie bénigne de la prostate. Dans la vessie de rat, la connexine26 est exprimée uniquement dans l'urothelium. La Cx26, a été montrée pour être un possible « tumor suppressor gene » dans le cancer de vessie. Une augmentation de la Cx26 ainsi que du couplage des cellules urothéliales a été démontré dans notre modèle de stress mécanique sur la vessie de rat et est dépendante de 2 éléments de réponses connues pour interagir avec AP-1. La régulation de IB1/JIP-1 a permis de montrer que celle-ci régulait l'activité JNK, ainsi que l'activité du facteur de transcription AP-1, composé de c-Jun lui-même cible de JNK. Cette réduction de l'activité de AP-1 est associée à une diminution de l'expression du transcipt de la Cx26. En résumé, la Cx26 pourrait être régulée par le complexe AP-1 lui-même dépendant du contenu en IB1/JIP-1. Dans le chapitre 3, l'étude de IB1/J1P-1 s'est portée sur la prostate. Cet organe, siège fréquent de pathologie telle que le cancer ou l'hyperplasie bénigne de la prostate, exprime IB1/JIP-1 au niveau de son épithélium sécrétoire. Cette expression est maintenue dans une lignée cellulaire humaine largement étudiée est reconnue comme un modèle adéquat de cellules tumorales de type androgène-sensible. IB1/JIP-1 a été investigué dans un modèle in vitro d'apoptose en réponse à un agent appelé N-(4-hydroxyphenyl)retinamide (4-HPR) qui induit une activation de la MAPK JNK ainsi que également un diminution du contenu en IB1/JIP-1. La surexpression de IB1/JIP-1 en utilisant à nouveau des virus comme vecteur a démontré que IB1/JIP-1 était capable de réguler l'activité de JNK ainsi que les taux d'apoptose. Dans le cancer de la prostate, certains travaux ont montré que la différentiation neuroendocrine des cellules tumorales est associée à la progression tumorale et à la perte de sensibilité aux androgènes. Ce travail a permis de dévoiler l'augmentation d'expression de IB1/JIP-1 dans un modèle de neurodifferentiation des cellules d'une lignée prostatique humaine (LNCaP). Les mécanismes qui permettent une expression spécifique de IB1/JIP-1 ont été partiellement investiguée dans notre laboratoire. Son promoteur humain contient un « Neuron Restricive Silencer Element » (NRSE) connu pour se lier a répresseur transcriptionel appelé « RE-1 Silencer Transcription Factor » ou « Neuron Restrictive Silencer Factor » (REST/NRSF). NRSF/REST est capable de réprimer l'expression de gènes neuronaux en dehors du système neuronal. Il prend part à la différentiation terminale des gènes neuronaux. Dans le chapitre 3, on observe que l'activité de REST/NRSF est diminuée dans les cellules LNCaP qui se transdifferencient de manière neuroendocrine, et que REST/NRSF est capable de moduler l'expression de ces gènes cibles dans ce type cellulaire. Ces travaux laissent suggérer que NRSF/REST participe à l'acquisition du phénotype neuroendocrinien et pourrait être une cible pour réguler ce phénomène. En conclusion, ce travail de thèse présente l'expression de IB1/JIP-1 dans 2 organes de l'appareil uro-génital ; la vessie et la prostate. La fonction de IB1/JIP-1 a été étudiée in vivo dans la vessie de rat, ce qui a mis en évidence sa fonction régulatrice de l'activité de la MAPKinase JNK, et de l'activité du facteur de transcription AP-1 ; ainsi que sa possible implication régulatrice de gène cible tel que la Connexin 26 (Cx26). AP-1 et la Cx26 pourraient jouer un rôle dans le processus oncologique, tant dans le control de l'invasion cellulaire ou le control de la croissance cellulaire. Dans la prostate, IB1/JIP-1 régule également l'activité JNK; crucial dans la transmission de certains stimulis pro-apoptotiques. Dans un modèle de transdifférenciation neuroendocrinienne, phénotype possiblement lié au caractère agressif du cancer de la prostate, l'expression de IB1/JIP-1 est augmenté, suggérant soit un rôle possible dans le développement du phénotype neuronal ou une implication dans une fonction anti-apoptotique. Ce travail a donc permis d'élargir nos connaissances sur la régulation et le control de la voie de signalisation des MAPKinases par IB1/JIP-1, qui pourrait avoir encore d'autres fonctions dans ces tissus.

Interaction of Leukocyte Elastase Inhibitor/L-DNase II with BCL-2 and BAX

Leukocyte Elastase Inhibitor (LEI, also called serpin B1) is a protein involved in apoptosis among other physiological processes. We have previously shown that upon cleavage by its cognate protease, LEI is transformed into L-DNase II, a protein with a pro-apoptotic activity. The caspase independent apoptotic pathway, in which L-DNase II is the final effector, interacts with other pro-apoptotic molecules like Poly-ADP-Ribose polymerase (PARP) or Apoptosis Inducing Factor (AIF). The screening of LEI/L-DNase II interactions showed a possible interaction with several members of the BCL-2 family of proteins which are known to have a central role in the regulation of caspase dependent cell death. In this study, we investigated the regulation of LEI/L-DNase II pathway by two members of this family of proteins: BAX and BCL-2, which have opposite effects on cell survival. We show that, in both BHK and HeLa cells, LEI/L-DNase II can interact with BCL-2 and BAX in apoptotic and non-apoptotic conditions. These proteins which are usually thought to be anti-apoptotic and pro-apoptotic respectively, both inhibit the L-DNase II pro-apoptotic activity. These results give further insight in the regulation of caspase-independent pathways and highlight the involvement of the intracellular environment of a given protein in the determinism of its function. They also add a link between caspase-dependent and independent pathways of apoptosis.

Methicillin-resistant Staphylococcus aureus resensitization by protein synthesis inhibitors : proposal for a mechanism

RESUME Staphylococcus aureus est un important pathogène à gram-positif, à la fois responsable d'infections nosocomiales et communautaires. Le S. aureus résistant à la méthicilline est intrinsèquement résistant aux bêta-lactamines, inhibiteurs de la synthèse de la paroi bactérienne, grâce à une enzyme nouvellement acquise, la protéine liant la pénicilline 2A, caractérisée par une faible affinité pour ces agents et pouvant poursuivre la synthèse de la paroi, alors que les autres enzymes sont bloquées. Ce micro-organisme a également développé des résistances contre quasiment tous les antibiotiques couramment utilisés en clinique. Parallèlement au développement de molécules entièrement nouvelles, il peut être utile d'explorer d'éventuelles caractéristiques inattendues de médicaments déjà existants, par exemple en les combinant, dans l'espoir d'un potentiel effet synergique. Comprendre les mécanismes de tels effets synergiques pourrait contribuer à la justification de leur utilisation clinique potentielle. Récemment, un effet synergique contre le S. aureus résistant à la méthicilline a été décrit entre la streptogramine quinupristine-datfopristine et les bêta-lactamines, aussi bien in vitro qu'in vivo. Le présent travail a pour but de proposer un modèle pour le mécanisme de cette interaction positive et de l'étendre à d'autres classes d'antibiotiques. Premièrement, un certain nombre de méthodes microbiologiques ont permis de mieux cerner la nature de cette interaction, en montrant qu'elle agissait spécifiquement sur le S. aureus résistant à la méthicilline et qu'elle était restreinte à l'association entre inhibiteurs de la synthèse des protéines et bêta-lactamines. Deuxièmement, L'observation de l'influence des inhibiteurs de la synthèse des protéines sur la machinerie de la paroi bactérienne, c'est-à-dire sur l'expression des protéines liant la pénicilline, responsables de la synthèse du peptidoglycan, a montré une diminution de la quantité de ta protéine liant la pénicilline 2, connue pour posséder une activité de transglycosylation, indispensable au bon fonctionnement de la protéine liant la pénicilline 2A, responsable de la résistance à la méthicilline. Troisièmement, l'analyse fine de la composition du peptidoglycan extrait de bactéries, avant ou après traitement par des inhibiteurs de la synthèse des protéines, a montré des altérations corrélant avec leur capacité à agir en synergie avec les bêta-lactamines contre S. aureus résistant à ta méthicilline. Ces altérations dans les muropeptides pourraient représenter une signature de la diminution de la quantité de la protéine liant la pénicilline 2. Le modèle mécanistique retenu considère que les inhibiteurs de la synthèse des protéines pourraient diminuer l'expression de la protéine Liant la pénicilline 2, indispensable à la résistance à la méthiciltine, et que ce déséquilibre dans les enzymes synthétisant la paroi bactérienne pourrait générer une signature dans les muropeptides. SUMMARY Staphylococcus aureus is a major gram-positive pathogen causing both hospital-acquired and community-acquired infections. Methicillin- resistant Staphylococcus aureus is intrinsically resistant to the cell wall inhibitors beta-lactams by virtue of a newly acquired cell-wall-building enzyme, tow-affinity penicillin-binding protein 2A, which can build the wall when other penicillin-binding proteins are blocked. Moreover, the microorganism has developed resistance to virtually all non-experimental antibiotics. In addition of producing entirely new molecules, it is useful to explore unexpected features of existing drugs, for example by using them in combination, expecting drug synergisms. Understanding the mechanisms of such synergisms would help justify their putative clinical utilization. Recently, a synergism between the streptogramin quinupristin-dalfopristin and beta-lactams was reported against methicillin-resistant S. aureus, both in vitro and in vivo. The present work intends to propose a model for the mechanism of this positive interaction and to extend it to other drug classes. First, microbiological experimentation helped better defining the nature of this interaction, restricting it to methicillin-resistant S. aureus, and to the association of protein synthesis inhibitors with beta-lactams. Second, the observation of inhibitors of protein synthesis influence on the cell-wall-building machinery, i.e. on the expression of penicillin-binding proteins responsible for peptidoglycan synthesis, showed a decrease in the amount of penicillin-binding protein 2, known to provide a transglycosylase activity for glycan chain elongation, indispensable for the functionality of the low-affinity penicillin-binding protein 2A responsible for methicillin resistance. Third, the fine analysis of the peptidoglycan composition purified from bacteria before or after treatment with inhibitors of protein synthesis showed alterations that correlated with their ability to synergize with beta-lactams against methicillin-resistant S. aureus. These muropeptide alterations could be the signature of decrease in the amount of penicillin-binding protein 2. The retained mechanistic model is that inhibitors of protein synthesis could decrease the expression of penicillin-binding protein 2, wich is indispensable for methicillin-resistance, and that this imbalance in cell-wall-building enzymes could generate a muropeptide signature.

Analysis of a boundary protein delimiting chromatin domains in yeast

SUMMARY The expression state of a eukaryotic gene depends in part on its location in the chromosome. This position effect results from the organization of eukaryotic genomes into discrete functional domains, defined by local differences in chromatin structure. The expression of genes within each domain appears to be defined and maintained by the concerted action of regulatory elements such as promoters, enhancers, silencers and locus control regions. Individual domains may be bordered by boundary elements that separate regions of permissive and silent chromatin. When located next to chromosomal elements such as telomeres, genes can be subjected to epigenetic silencing. In yeast, this is mediated by the propagation of the SIR proteins from telomeres towards more centromeric regions. Particular transcription factors can protect downstream genes from silencing when tethered between the gene and the telomere, and they may thus act as chromatin domain boundaries. Here we have studied one of these transcription factors, CTF-1, that binds directly histone H3. A deletion mutagenesis localized the barrier activity to CTF-1 histone-binding domain. A saturating point mutagenesis of this domain identified several amino-acid substitutions that similarly inhibited the boundary and histone-binding activities. Chromatin immunoprecipitation experiments indicated that the barrier protein efficiently prevents the spreading of SIR proteins, and that it separates domains of hypoacetylated and hyperacetylated histones. Together, these results suggest a mechanism by which proteins such as CTF-1 may interact directly with histone H3 to prevent the propagation of a silent chromatin structure, thereby defining boundaries of permissive and silent chromatin domains. RESUME L'expression des gènes eucaryotes dépend en partie de leur localisation sur les chromosomes. Cet effet de position résulte de l'organisation des génomes eucaryotes en domaines fonctionnels, définis par des changements locaux au niveau de la structure de la chromatine. Dans chacun de ces domaines, l'expression des gènes est définie et maintenue par l'action concertée de différents éléments régulateurs tels que les promoteurs, les amplificateurs, les silenceurs et les locus control régions. Ces domaines peuvent être entourés par des éléments barrière, séparant les régions de chromatine répressive des régions permissive pour l'expression des gènes. Lorsqu'ils se situent à proximité d'éléments chromosomiques comme les telomères, les gènes peuvent être réprimés de manière épigénétique. Chez la levure, cette répression est établie par la propagation des protéines SIR depuis les télomères vers les régions centromériques. Certains facteurs de transcription peuvent empêcher la répression d'un gène, lorsqu'ils sont placés entre ce gène et le télomère. Nous avons étudié un de ces facteurs, CTF-1, qui a la particularité de lier directement l'histone H3. La délétion de certaines parties de CTF-1 a permis de déterminer que la région responsable de l'activité barrière correspond au domaine d'interaction avec H3. Plusieurs mutations points effectuées dans ce domaine inhibent à la fois l'activité barrière et la capacité de lier H3. Des expériences d'immuno-précipitation de la chromatine indiquent que la protéine barrière CTF-1 prévient efficacement la propagation des protéines SIR et sépare des domaines contenant des histones hypo-acétylées de ceux constitués d'histones hyper-acétylées. Ces résultats suggèrent que CTF-1 interagit directement avec l'histone H3 pour empêcher la propagation de la chromatine répressive, délimitant ainsi des domaines de chromatine permissive et des domaines de chromatine silencieuse.

Structural and functional studies of nonstructural protein 2 of the hepatitis C virus reveal its key role as organizer of virion assembly.

Non-structural protein 2 (NS2) plays an important role in hepatitis C virus (HCV) assembly, but neither the exact contribution of this protein to the assembly process nor its complete structure are known. In this study we used a combination of genetic, biochemical and structural methods to decipher the role of NS2 in infectious virus particle formation. A large panel of NS2 mutations targeting the N-terminal membrane binding region was generated. They were selected based on a membrane topology model that we established by determining the NMR structures of N-terminal NS2 transmembrane segments. Mutants affected in virion assembly, but not RNA replication, were selected for pseudoreversion in cell culture. Rescue mutations restoring virus assembly to various degrees emerged in E2, p7, NS3 and NS2 itself arguing for an interaction between these proteins. To confirm this assumption we developed a fully functional JFH1 genome expressing an N-terminally tagged NS2 demonstrating efficient pull-down of NS2 with p7, E2 and NS3 and, to a lower extent, NS5A. Several of the mutations blocking virus assembly disrupted some of these interactions that were restored to various degrees by those pseudoreversions that also restored assembly. Immunofluorescence analyses revealed a time-dependent NS2 colocalization with E2 at sites close to lipid droplets (LDs) together with NS3 and NS5A. Importantly, NS2 of a mutant defective in assembly abrogates NS2 colocalization around LDs with E2 and NS3, which is restored by a pseudoreversion in p7, whereas NS5A is recruited to LDs in an NS2-independent manner. In conclusion, our results suggest that NS2 orchestrates HCV particle formation by participation in multiple protein-protein interactions required for their recruitment to assembly sites in close proximity of LDs.

Design of potent inhibitors of human RAD51 recombinase based on BRC motifs of BRCA2 protein: modeling and experimental validation of a chimera peptide.

We have previously shown that a 28-amino acid peptide derived from the BRC4 motif of BRCA2 tumor suppressor inhibits selectively human RAD51 recombinase (HsRad51). With the aim of designing better inhibitors for cancer treatment, we combined an in silico docking approach with in vitro biochemical testing to construct a highly efficient chimera peptide from eight existing human BRC motifs. We built a molecular model of all BRC motifs complexed with HsRad51 based on the crystal structure of the BRC4 motif-HsRad51 complex, computed the interaction energy of each residue in each BRC motif, and selected the best amino acid residue at each binding position. This analysis enabled us to propose four amino acid substitutions in the BRC4 motif. Three of these increased the inhibitory effect in vitro, and this effect was found to be additive. We thus obtained a peptide that is about 10 times more efficient in inhibiting HsRad51-ssDNA complex formation than the original peptide.

Interaction of Fas(Apo-1/CD95) with proteins implicated in the ubiquitination pathway.

Fas(Apo-1/CD95), a receptor belonging to the tumor necrosis factor receptor family, induces apoptosis when triggered by Fas ligand. Upon its activation, the cytoplasmic domain of Fas binds several proteins which transmit the death signal. We used the yeast two-hybrid screen to isolate Fas-associated proteins. Here we report that the ubiquitin-conjugating enzyme UBC9 binds to Fas at the interface between the death domain and the membrane-proximal region of Fas. This interaction is also seen in vivo. UBC9 transiently expressed in HeLa cells bound to the co-expressed cytoplasmic segment of Fas. FAF1, a Fas-associated protein that potentiates apoptosis (Chu et al. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92, 11894-11898), was found to contain sequences similar to ubiquitin. These results suggest that proteins related to the ubiquitination pathway may modulate the Fas signaling pathway.

IB1, a JIP-1-related nuclear protein present in insulin-secreting cells.

JIP-1 is a cytoplasmic inhibitor of the c-Jun amino-terminal kinase activated pathway recently cloned from a mouse brain cDNA library. We report herein the expression cloning of a rat cDNA encoding a JIP-1-related nuclear protein from a pancreatic beta-cell cDNA library that we named IB1 for Islet-Brain 1. IB1 was isolated by its ability to bind to GTII, a cis-regulatory element of the GLUT2 promoter. The IB1 cDNA encodes a 714-amino acid protein, which differs from JIP-1 by the insertion of 47 amino acids in the carboxyl-terminal part of the protein. The remaining 667 amino acids are 97% identical to JIP-1. The 47-amino acid insertion contains a truncated phosphotyrosine interaction domain and a putative helix-loop-helix motif. Recombinant IB1 (amino acids 1-714 and 280-714) was shown to bind in vitro to GTII. Functionally IB1 transactivated the GLUT2 gene. IB1 was localized within the cytoplasm and the nucleus of insulin-secreting cells or COS-7 cells transfected with an expression vector encoding IB1. Using a heterologous GAL4 system, we localized an activation domain of IB1 within the first 280 amino acids of the protein. These data demonstrate that IB1 is a DNA-binding protein related to JIP-1, which is highly expressed in pancreatic beta-cells where it functions as a transactivator of the GLUT2 gene.

Alum interaction with dendritic cell membrane lipids is essential for its adjuvanticity.

As an approved vaccine adjuvant for use in humans, alum has vast health implications, but, as it is a crystal, questions remain regarding its mechanism. Furthermore, little is known about the target cells, receptors, and signaling pathways engaged by alum. Here we report that, independent of inflammasome and membrane proteins, alum binds dendritic cell (DC) plasma membrane lipids with substantial force. Subsequent lipid sorting activates an abortive phagocytic response that leads to antigen uptake. Such activated DCs, without further association with alum, show high affinity and stable binding with CD4(+) T cells via the adhesion molecules intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) and lymphocyte function-associated antigen-1 (LFA-1). We propose that alum triggers DC responses by altering membrane lipid structures. This study therefore suggests an unexpected mechanism for how this crystalline structure interacts with the immune system and how the DC plasma membrane may behave as a general sensor for solid structures.

Different internalization properties of the alpha1a- and alpha1b-adrenergic receptor subtypes: the potential role of receptor interaction with beta-arrestins and AP50.

The internalization properties of the alpha1a- and alpha1b-adrenergic receptors (ARs) subtypes transiently expressed in human embryonic kidney (HEK) 293 cells were compared using biotinylation experiments and confocal microscopy. Whereas the alpha1b-AR displayed robust agonist-induced endocytosis, the alpha1a-AR did not. Constitutive internalization of the alpha1a-AR was negligible, whereas the alpha1b-AR displayed significant constitutive internalization and recycling. We investigated the interaction of the alpha1-AR subtypes with beta-arrestins 1 and 2 as well as with the AP50 subunit of the clathrin adaptor complex AP2. The results from both coimmunoprecipitation experiments and beta-arrestin translocation assays indicated that the agonistinduced interaction of the alpha1a-AR with beta-arrestins was much weaker than that of the alpha1b-AR. In addition, the alpha1a-AR did not bind AP50. The alpha1b-AR mutant M8, lacking the main phosphorylation sites in the receptor C tail, was unable to undergo endocytosis and was profoundly impaired in binding beta-arrestins despite its binding to AP50. In contrast, the alpha1b-AR mutant DeltaR8, lacking AP50 binding, bound beta-arrestins efficiently, and displayed delayed endocytosis. RNA interference showed that beta-arrestin 2 plays a prominent role in alpha1b-AR endocytosis. The findings of this study demonstrate differences in internalization between the alpha1a- and alpha1b-AR and provide evidence that the lack of significant endocytosis of the alpha1a-AR is linked to its poor interaction with beta-arrestins as well as with AP50. We also provide evidence that the integrity of the phosphorylation sites in the C tail of the alpha1b-AR is important for receptor/beta-arrestin interaction and that this interaction is the main event triggering receptor internalization.

Interaction of GAG trinucleotide repeat and C-129T polymorphisms impairs expression of the glutamate-cysteine ligase catalytic subunit gene.

Glutamate cysteine ligase (GCL) catalyzes the rate-limiting step in the de novo synthesis of glutathione (GSH). The catalytic subunit (GCLC) of GCL contains a GAG trinucleotide-repeat (TNR) polymorphism within the 5'-untranslated region (5'-UTR) that has been associated with various human disorders. Although several studies suggest that this variation influences GSH content, its implication for GCLC expression remains unknown. To better characterize its functional significance, we performed reporter gene assays with constructs containing the complete GCLC 5'-UTR upstream of a luciferase gene. Transfection of these vectors into various human cell lines did not reveal any significant differences between 7, 8, 9, or 10 GAG repeats, under either basal or oxidative stress conditions. To correlate these results with the previously described down-regulation induced by the C-129T GCLC promoter polymorphism, combinations of both variations were tested. Interestingly, the -129T allele down-regulates gene expression when combined with 7 GAG but not with 8, 9, or 10 GAG TNRs. This observation was confirmed in primary fibroblast cells, in which the combination of GAG TNR 7/7 and -129C/T genotypes decreased the GCLC protein level. These results provide evidence that interaction of the two variations can efficiently impair GCLC expression and thus suggest its involvement in the pathogenesis of diseases related to GSH metabolism.

The SM protein Sly1 accelerates assembly of the ER-Golgi SNARE complex.

Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor (SNARE) and Sec1/Munc18 (SM) proteins constitute the core of an ancient vesicle fusion machine that diversified into distinct sets that now function in different trafficking steps in eukaryotic cells. Deciphering their precise mode of action has proved challenging. SM proteins are thought to act primarily through one type of SNARE protein, the syntaxins. Despite high structural similarity, however, contrasting binding modes have been found for different SM proteins and syntaxins. Whereas the secretory SM protein Munc18 binds to the ‟closed conformation" of syntaxin 1, the ER-Golgi SM protein Sly1 interacts only with the N-peptide of Sed5. Recent findings, however, indicate that SM proteins might interact simultaneously with both syntaxin regions. In search for a common mechanism, we now reinvestigated the Sly1/Sed5 interaction. We found that individual Sed5 adopts a tight closed conformation. Sly1 binds to both the closed conformation and the N-peptide of Sed5, suggesting that this is the original binding mode of SM proteins and syntaxins. In contrast to Munc18, however, Sly1 facilitates SNARE complex formation by loosening the closed conformation of Sed5.

Study of protein complexes

Summary : A lot of information can be obtained on proteins when proteomics methods are used. In our study, we aimed to characterize complexes containing pro-apoptotic proteins by different proteomics methods and finally focused on PIDD (p53-induced protein with a death domain), for which the most interesting results were obtained. PIDD has been shown to function as a molecular switch between genotoxic stress-induced apoptotis and genotoxic stress-induced cell survival through NF-κB activation. To exert these two functions, PIDD forms alternate complexes respectively with caspase2 and CRADD on one hand and RIP 1 and NEMO on the other hand. The first part of our study focuses on the processing of PIDD. PIDD full length (FL) is constitutively cleaved into three fragments, an N-terminal one (PIDD-N) and two fragments containing the C-terminus (PIDD-C and PIDD-CC). Localization of the two PIDD cleavage sites by mass spectrometry (MS) allowed to understand that PIDD is probably not cleaved by proteases but is subject to protein (self-)splicing and also to map the PIDD-N, PIDD-C and PIDD-CC fragments exactly. Further characterization of these three fragments by Tinel et al. (Tinel et al., 2007) showed that PIDD-C is involved in activation of an apoptotic pathway while PIDD-CC is involved in NF-κB activation. We also found that PIDD is subject to proline-directed phosphorylation at two serine residues in PIDD-N, the regulatory fragment of PIDD. The second part of the study aimed at identifying by proteomics techniques proteins that co-purify with PIDD and therefore are putative cellular interaction partners. In this respect we analyzed samples obtained in different conditions or with different PIDD constructs corresponding to processed fragments. This allowed us to identify a large number of potential interactors for PIDD. For example, by comparing data obtained from PIDD-C and PIDD-FL affinity purifications, we found that the Hsp90 chaperone system interacts strongly with PIDD-N. In the third part of this study, we developed methods to selectively and rapidly quantify by MS proteins of interest in PIDD affinity purifications or negative controls. Using these tools we detected significant changes in PIDD-FL-copurifying proteins treated by heat shock. Overall, our studies provide informative data on the processing of PIDD and its possible involvement in several molecular pathways.

Adiponectin and C-reactive protein are positively associated with microalbuminuria in an adult Caucasian population

Objective: Microalbuminuria (MAU) is a marker of early kidney injury and cardiovascular risk. We assessed the association of MAU with plasma adiponectin, leptin, and hsCRP as inflammatory marker, accounting for hypertension, diabetes and obesity. Design and Methods: Population based, cross-sectional study in Caucasian subjects aged 35 to 75 years in Lausanne, Switzerland. MAU, measured by quantitative immunonephelometry on spot morning urine, was used either as a continuous (MAU) or dichotomized variable (MA defined as MAU > 2.5 and >3.5 mg/mmol creatinine in men and women, respectively). Results: The 2955 women (age 53.3_10.7, mean_SD years) had mean body mass index (BMI) 24.9_4.5 kg/m. The 2479 men (age 53.1_10.8 years) hadmean BMI 27.0_3.9 kg/m2.Median hsCRP was 1.3 and 1.3 mg/L, median adiponectin 6.2 and 10.6mg/mL in men and women, respectively. MA prevalence was 4.9% in women and 9.8% in men. In multivariate regression analysis adjusting for potential confounders (age, sex, hypertension, diabetes, eGFR, BMI, percent fat mass, insulin and smoking), logtransformed MAU was positively associated with hsCRP (P<0.001) and adiponectin (P¼0.002), but not with leptin. The association of adiponectin with MAU was stronger in subjects with low hsCRP, and vice versa (P interaction<0.001). Conclusion: Adiponectin and hsCRP are significant positive determinants of MAU, independently of diabetes, hypertension and fat mass. A negative interaction between hsCRP and adiponectin was found for their effect on MAU. Whether hyperadiponectinemia represents an adequate protective response to vascular stress or has negative causal impact on the development of MAU should be assessed in further studies.

Gliotransmission in the hippocampus, mechanisms and interaction with synaptic functions

SUMMARYAstrocytes represent the largest cell population in the human brain. In addition to a well established role as metabolic support for neuronal activity, in the last years these cells have been found to accomplish other important and, sometimes, unexpected functions. The tight enwrapping of synapses by astrocytic processes and the predominant expression of glutamate uptake carriers in the astrocytic rather than neuronal plasma membranes brought to the definition of a critical involvement of astrocytes in the clearance of glutamate from synaptic junctions. Moreover, several publications showed that astrocytes are able to release chemical transmitters (gliotransmitters) suggesting their active implication in the control of synaptic functions. Among gliotransmitters, the best characterized is glutamate, which has been proposed to be released from astrocytes in a Ca2+ dependent manner via exocytosis of synaptic-like microvesicles.In my thesis I present results leading to substantial advancement of the understanding of the mechanisms by which astrocytes modulate synaptic activity in the hippocampus, notably at excitatory synapses on dentate granule cells. I show that tumor necrosis factor- alpha (TNFa), a molecule that is generally involved in immune system functions, critically controls astrocyte-to-synapse communication (gliotransmission) in the brain. With constitutive levels of TNFa present, activation of purinergic G protein-coupled receptors in astrocytes, called P2Y1 receptors, induces localized intracellular calcium ([Ca2+]j) elevation in astrocytic processes (measured by two-photon microscopy) followed by glutamate release and activation of pre-synaptic NMDA receptors resulting in synaptic potentiation. In preparations lacking TNFa, astrocytes respond with identical [Ca2+]i elevations but fail to induce neuromodulation. I find that TNFa specifically controls the glutamate release step of gliotransmission. Addition of very low (picomolar) TNFa concentrations to preparations lacking the cytokine, promptly reconstitutes both normal exocytosis in cultured astrocytes and gliotransmission in hippocampal slices. These data provide the first demonstration that gliotransmission and its synaptic effects are controlled not only by astrocyte [Ca2+]i elevations but also by permissive/homeostatic factors like TNFa.In addition, I find that higher and presumably pathological TNFa concentrations do not act just permissively but instead become direct and potent triggers of glutamate release from astrocytes, leading to a strong enhancement of excitatory synaptic activity. The TNFa action, like the one observed upon P2Y1R activation, is mediated by pre-synaptic NMDA receptors, but in this case the effect is long-lasting, and not reversible. Moreover, I report that a necessary molecular target for this action of TNFa is TNFR1, one of the two specific receptors for the cytokine, as I found that TNFa was unable to induce synaptic potentiation when applied in slices from TNFR1 knock-out (Tnfrlv") mice. I then created a double transgenic mouse model where TNFR1 is knocked out in all cells but can be re-expressed selectively in astrocytes and I report that activation of the receptors in these cells is sufficient to reestablish TNFa-dependent long-lasting potentiation of synaptic activity in the TNFR1 knock-out mice.I therefore discovered that TNFa is a primary molecule displaying both permissive and instructive roles on gliotransmission controlling synaptic functions. These reports might have profound implications for the understanding of both physiological and pathological processes associated to TNFa production, including inflammatory processes in the brain.RÉSUMÉLes astrocytes sont les cellules les plus abondantes du cerveau humain. Outre leur rôle bien établi dans le support métabolique de l'activité neuronale, d'autres fonctions importantes, et parfois inattendues de ces cellules ont été mises en lumière au cours de ces dernières années. Les astrocytes entourent étroitement les synapses de leurs fins processus qui expriment fortement les transporteurs du glutamate et permettent ainsi aux astrocytes de jouer un rôle critique dans l'élimination du glutamate de la fente synaptique. Néanmoins, les astrocytes semblent être capables de jouer un rôle plus intégratif en modulant l'activité synaptique, notamment par la libération de transmetteurs (gliotransmetteurs). Le gliotransmetteur le plus étudié est le glutamate qui est libéré par l'exocytose régulée de petites vésicules ressemblant aux vésicules synaptiques (SLMVs) via un mécanisme dépendant du calcium.Les résultats présentés dans cette thèse permettent une avancée significative dans la compréhension du mode de communication de ces cellules et de leur implication dans la transmission de l'information synaptique dans l'hippocampe, notamment des synapses excitatrices des cellules granulaires du gyrus dentelé. J'ai pu montrer que le « facteur de nécrose tumorale alpha » (TNFa), une cytokine communément associée au système immunitaire, est aussi fondamentale pour la communication entre astrocyte et synapse. Lorsqu'un niveau constitutif très bas de TNFa est présent, l'activation des récepteurs purinergiques P2Y1 (des récepteurs couplés à protéine G) produit une augmentation locale de calcium (mesurée en microscopie bi-photonique) dans l'astrocyte. Cette dernière déclenche ensuite une libération de glutamate par les astrocytes conduisant à l'activation de récepteurs NMDA présynaptiques et à une augmentation de l'activité synaptique. En revanche, dans la souris TNFa knock-out cette modulation de l'activité synaptique par les astrocytes n'est pas bien qu'ils présentent toujours une excitabilité calcique normale. Nous avons démontré que le TNFa contrôle spécifiquement l'exocytose régulée des SLMVs astrocytaires en permettant la fusion synchrone de ces vésicules et la libération de glutamate à destination des récepteurs neuronaux. Ainsi, nous avons, pour la première fois, prouvé que la modulation de l'activité synaptique par l'astrocyte nécessite, pour fonctionner correctement, des facteurs « permissifs » comme le TNFa, agissant sur le mode de sécrétion du glutamate astrocytaire.J'ai pu, en outre, démontrer que le TNFa, à des concentrations plus élevées (celles que l'on peut observer lors de conditions pathologiques) provoque une très forte augmentation de l'activité synaptique, agissant non plus comme simple facteur permissif mais bien comme déclencheur de la gliotransmission. Le TNFa provoque 1'activation des récepteurs NMD A pré-synaptiques (comme dans le cas des P2Y1R) mais son effet est à long terme et irréversible. J'ai découvert que le TNFa active le récepteur TNFR1, un des deux récepteurs spécifiques pour le TNFa. Ainsi, l'application de cette cytokine sur une tranche de cerveau de souris TNFR1 knock-out ne produit aucune modification de l'activité synaptique. Pour vérifier l'implication des astrocytes dans ce processus, j'ai ensuite mis au point un modèle animal doublement transgénique qui exprime le TNFR1 uniquement dans les astrocytes. Ce dernier m'a permis de prouver que l'activation des récepteurs TNFR1 astrocytaires est suffisante pour induire une augmentation de l'activité synaptique de manière durable.Nous avons donc découvert que le TNFa possède un double rôle, à la fois un rôle permissif et actif, dans le contrôle de la gliotransmission et, par conséquent, dans la modulation de l'activité synaptique. Cette découverte peut potentiellement être d'une extrême importance pour la compréhension des mécanismes physiologiques et pathologiques associés à la production du TNFa, en particulier lors de conditions inflammatoires.RÉSUMÉ GRAND PUBLICLes astrocytes représentent la population la plus nombreuse de cellules dans le cerveau humain. On sait, néanmoins, très peu de choses sur leurs fonctions. Pendant très longtemps, les astrocytes ont uniquement été considérés comme la colle du cerveau, un substrat inerte permettant seulement de lier les cellules neuronales entre elles. Il n'y a que depuis peu que l'on a découvert de nouvelles implications de ces cellules dans le fonctionnement cérébral, comme, entre autres, une fonction de support métabolique de l'activité neuronale et un rôle dans la modulation de la neurotransmission. C'est ce dernier aspect qui fait l'objet de mon projet de thèse.Nous avons découvert que l'activité des synapses (régions qui permettent la communication d'un neurone à un autre) qui peut être potentialisée par la libération du glutamate par les astrocytes, ne peut l'être que dans des conditions astrocytaires très particulières. Nous avons, en particulier, identifié une molécule, le facteur de nécrose tumorale alpha (TNFa) qui joue un rôle critique dans cette libération de glutamate astrocytaire.Le TNFa est surtout connu pour son rôle dans le système immunitaire et le fait qu'il est massivement libéré lors de processus inflammatoires. Nous avons découvert qu'en concentration minime, correspondant à sa concentration basale, le TNFa peut néanmoins exercer un rôle indispensable en permettant la communication entre l'astrocyte et le neurone. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus physiologique qui permet d'intégrer la communication astrocyte/neurone au fonctionnement général du cerveau. Par ailleurs, nous avons également démontré qu'en quantité plus importante, le TNFa change son mode de fonctionnement et agit comme un stimulateur direct de la libération de glutamate par l'astrocyte et induit une activation persistante de l'activité synaptique. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus pathologique.Nous sommes également arrivés à ces conclusions grâce à la mise en place d'une nouvelle souche de souris doublement transgéniques dans lesquelles seuls les astrocytes (etnon les neurones ou les autres cellules cérébrales) sont capables d'être activés par le TNFa.