Superfamily of steroid nuclear receptors: positive and negative regulators of gene expression.

The nuclear hormone receptor superfamily is characterized by an impressive functional diversity of its members despite a remarkable overall structural unity. A variety of ligands bind specifically to them and these receptors control gene networks that have profound effects on growth, development, and homeostasis. The ligand-receptor complexes recognize transcriptional enhancer DNA sequences, the hormone response elements, resulting in induction or repression of gene activity. The similarity between all these hormone response enhancer elements, as well as between the receptors themselves, indicates a conserved general strategy for the hormonal control of transcription by steroids. The activated receptors bind to responsive promoters and most likely mediate the assembly of stage- and tissue-specific transcription factor complexes that stimulate or inhibit gene expression.

Defining the site of light perception and initiation of phototropism in Arabidopsis.

Phototropism is an adaptive response allowing plants to optimize photosynthetic light capture. This is achieved by asymmetric growth between the shaded and lit sides of the stimulated organ. In grass seedlings, the site of phototropin-mediated light perception is distinct from the site of bending; however, in dicotyledonous plants (e.g., Arabidopsis), spatial aspects of perception remain debatable. We use morphological studies and genetics to show that phototropism can occur in the absence of the root, lower hypocotyl, hypocotyl apex, and cotyledons. Tissue-specific expression of the phototropin1 (phot1) photoreceptor demonstrates that light sensing occurs in the upper hypocotyl and that expression of phot1 in the hypocotyl elongation zone is sufficient to enable a normal phototropic response. Moreover, we show that efficient phototropism occurs when phot1 is expressed from endodermal, cortical, or epidermal cells and that its local activation rapidly leads to a global response throughout the seedling. We propose that spatial aspects in the steps leading from light perception to growth reorientation during phototropism differ between grasses and dicots. These results are important to properly interpret genetic experiments and establish a model connecting light perception to the growth response, including cellular and morphological aspects.

Notch1 functions as a tumor suppressor in mouse skin.

Notch proteins are important in binary cell-fate decisions and inhibiting differentiation in many developmental systems, and aberrant Notch signaling is associated with tumorigenesis. The role of Notch signaling in mammalian skin is less well characterized and is mainly based on in vitro studies, which suggest that Notch signaling induces differentiation in mammalian skin. Conventional gene targeting is not applicable to establishing the role of Notch receptors or ligands in the skin because Notch1-/- embryos die during gestation. Therefore, we used a tissue-specific inducible gene-targeting approach to study the physiological role of the Notch1 receptor in the mouse epidermis and the corneal epithelium of adult mice. Unexpectedly, ablation of Notch1 results in epidermal and corneal hyperplasia followed by the development of skin tumors and facilitated chemical-induced skin carcinogenesis. Notch1 deficiency in skin and in primary keratinocytes results in increased and sustained expression of Gli2, causing the development of basal-cell carcinoma-like tumors. Furthermore, Notch1 inactivation in the epidermis results in derepressed beta-catenin signaling in cells that should normally undergo differentiation. Enhanced beta-catenin signaling can be reversed by re-introduction of a dominant active form of the Notch1 receptor. This leads to a reduction in the signaling-competent pool of beta-catenin, indicating that Notch1 can inhibit beta-catenin-mediated signaling. Our results indicate that Notch1 functions as a tumor-suppressor gene in mammalian skin.

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We describe here the potential of viral-mediated gene transfer for the modeling and treatment of Huntington's disease, focusing in particular on strategies for the tissue-specific targeting of various CNS cells. The protocols described here cover the design of lentiviral vectors, strategies for modifying their tropism, including the use of various envelopes and tissue-specific promoters, and the potential of miRNA to regulate transgene expression.

DIFFERENTIAL EXPRESSION OF GLUTARYL-CoA DEHYDROGENASE IN ADULT RAT CNS, PERIPHERAL TISSUES AND DURING EMBRYONIC DEVELOPMENT

Glutaryl-CoA dehydrogenase (GCDH, EC 1.3.99.7) deficiency, known as glutaric acidemia type I, is one of the more common organic acidurias. To investigate the role of this pathway in different organs we studied the tissue-specific expression pattern of rat Gcdh. The open reading frame cDNA of the rat Gcdh gene was cloned from rat brain mRNA by RT-PCR, allowing the synthesis of digoxigenin-labeled in situ hybridization (ISH) riboprobes. Gcdh mRNA expression was analyzed by ISH on cryosections of adult rat brain, kidney, liver, spleen and heart muscle, as well as on E15 and E18 rat embryos. Gcdh was found expressed in the whole rat brain, almost exclusively in neurons. Gcdh was absent from astrocytes but expressed in rare oligodendrocytes. Strong Gcdh expression was found in liver and spleen, where expression appears predominant to lymphatic nodules. In kidney, the highest Gcdh expression is found in the juxtamedullar cortex (but not in glomerula), and at lower levels in medulla. Heart muscle was negative. During embryonic development, Gcdh was found well expressed in liver, intestinal mucosa and skin, as well as at lower levels in CNS. Further studies are ongoing to provide evidence on the presence of the entire pathway in CNS in order to understand the mechanisms leading to neurotoxicity in glutaric aciduria. The high expression of Gcdh in kidney may explain why certain patients with residual enzyme activity are low excretors at the urine metabolite level.

Structural and functional interaction sites between Na,K-ATPase and FXYD proteins.

Several members of the FXYD protein family are tissue-specific regulators of Na,K-ATPase that produce distinct effects on its apparent K(+) and Na(+) affinity. Little is known about the interaction sites between the Na,K-ATPase alpha subunit and FXYD proteins that mediate the efficient association and/or the functional effects of FXYD proteins. In this study, we have analyzed the role of the transmembrane segment TM9 of the Na,K-ATPase alpha subunit in the structural and functional interaction with FXYD2, FXYD4, and FXYD7. Mutational analysis combined with expression in Xenopus oocytes reveals that Phe(956), Glu(960), Leu(964), and Phe(967) in TM9 of the Na,K-ATPase alpha subunit represent one face interacting with the three FXYD proteins. Leu(964) and Phe(967) contribute to the efficient association of FXYD proteins with the Na,K-ATPase alpha subunit, whereas Phe(956) and Glu(960) are essential for the transmission of the functional effect of FXYD proteins on the apparent K(+) affinity of Na,K-ATPase. The relative contribution of Phe(956) and Glu(960) to the K(+) effect differs for different FXYD proteins, probably reflecting the intrinsic differences of FXYD proteins on the apparent K(+) affinity of Na,K-ATPase. In contrast to the effect on the apparent K(+) affinity, Phe(956) and Glu(960) are not involved in the effect of FXYD2 and FXYD4 on the apparent Na(+) affinity of Na,K-ATPase. The mutational analysis is in good agreement with a docking model of the Na,K-ATPase/FXYD7 complex, which also predicts the importance of Phe(956), Glu(960), Leu(964), and Phe(967) in subunit interaction. In conclusion, by using mutational analysis and modeling, we show that TM9 of the Na,K-ATPase alpha subunit exposes one face of the helix that interacts with FXYD proteins and contributes to the stable interaction with FXYD proteins, as well as mediating the effect of FXYD proteins on the apparent K(+) affinity of Na,K-ATPase.

EZH2 is essential for glioblastoma cancer stem cell maintenance.

Overexpression of the polycomb group protein enhancer of zeste homologue 2 (EZH2) occurs in diverse malignancies, including prostate cancer, breast cancer, and glioblastoma multiforme (GBM). Based on its ability to modulate transcription of key genes implicated in cell cycle control, DNA repair, and cell differentiation, EZH2 is believed to play a crucial role in tissue-specific stem cell maintenance and tumor development. Here, we show that targeted pharmacologic disruption of EZH2 by the S-adenosylhomocysteine hydrolase inhibitor 3-deazaneplanocin A (DZNep), or its specific downregulation by short hairpin RNA (shRNA), strongly impairs GBM cancer stem cell (CSC) self-renewal in vitro and tumor-initiating capacity in vivo. Using genome-wide expression analysis of DZNep-treated GBM CSCs, we found the expression of c-myc, recently reported to be essential for GBM CSCs, to be strongly repressed upon EZH2 depletion. Specific shRNA-mediated downregulation of EZH2 in combination with chromatin immunoprecipitation experiments revealed that c-myc is a direct target of EZH2 in GBM CSCs. Taken together, our observations provide evidence that direct transcriptional regulation of c-myc by EZH2 may constitute a novel mechanism underlying GBM CSC maintenance and suggest that EZH2 may be a valuable new therapeutic target for GBM management.

HLA photoaffinity labeling reveals overlapping binding of homologous melanoma-associated gene peptides by HLA-A1, HLA-A29, and HLA-B44.

Melanoma-associated genes (MAGEs) encode tumor-specific antigens that can be recognized by CD8+ cytotoxic T lymphocytes. To investigate the interaction of the HLA-A1-restricted MAGE-1 peptide 161-169 (EADPT-GHSY) with HLA class I molecules, photoreactive derivatives were prepared by single amino acid substitution with N beta-[iodo-4-azidosalicyloyl]-L-2,3-diaminopropionic acid. These derivatives were tested for their ability to bind to, and to photoaffinity-label, HLA-A1 on C1R.A1 cells. Only the derivatives containing the photoreactive amino acid in position 1 or 7 fulfilled both criteria. Testing the former derivative on 14 lymphoid cell lines expressing over 44 different HLA class I molecules indicated that it efficiently photoaffinity-labeled not only HLA-A1, but possibility also HLA-A29 and HLA-B44. MAGE peptide binding by HLA-A29 and HLA-B44 was confirmed by photoaffinity labeling with photoreactive MAGE-3 peptide derivatives on C1R.A29 and C1R.B44 cells, respectively. The different photoaffinity labeling systems were used to access the ability of the homologous peptides derived from MAGE-1, -2, -3, -4a, -4b, -6, and -12 to bind to HLA-A1, HLA-A29, and HLA-B44. All but the MAGE-2 and MAGE-12 nonapeptides efficiently inhibited photoaffinity labeling of HLA-A1, which is in agreement with the known HLA-A1 peptide-binding motif (acidic residue in P3 and C-terminal tyrosine). In contrast, photoaffinity labeling of HLA-A29 was efficiently inhibited by these as well as by the MAGE-3 and MAGE-6 nonapeptides. Finally, the HLA-B44 photoaffinity labeling, unlike the HLA-A1 and HLA-A29 labeling, was inhibited more efficiently by the corresponding MAGE decapeptides, which is consistent with the reported HLA-B44 peptide-binding motif (glutamic acid in P2, and C-terminal tyrosine or phenylalanine). The overlapping binding of homologous MAGE peptides by HLA-A1, A29, and B44 is based on different binding principles and may have implications for immunotherapy of MAGE-positive tumors.

Genomic organization, fine-mapping, and expression of the human islet-brain 1 (IB1)/c-Jun-amino-terminal kinase interacting protein-1 (JIP-1) gene.

Islet-brain 1 (IB1), a regulator of the pancreatic beta-cell function in the rat, is homologous to JIP-1, a murine inhibitor of c-Jun amino-terminal kinase (JNK). Whether IB1 and JIP-1 are present in humans was not known. We report the sequence of the 2133-bp human IB1 cDNA, the expression, structure, and fine-mapping of the human IB1 gene, and the characterization of an IB1 pseudogene. Human IB1 is 94% identical to rat IB1. The tissue-specific expression of IB1 in human is similar to that observed in rodent. The IB1 gene contains 12 exons and maps to chromosome 11 (11p11.2-p12), a region that is deleted in DEFECT-11 syndrome. Apart from an IB1 pseudogene on chromosome 17 (17q21), no additional IB1-related gene was found in the human genome. Our data indicate that the sequence and expression pattern of IB1 are highly conserved between rodent and human and provide the necessary tools to investigate whether IB1 is involved in human diseases.

Vaccination route matters for mucosal tumors.

Immunization route may be pivotal for tissue-specific localization of the effector T cell response (Sandoval et al., this issue).

Role of Notch signalling in intestinal epithelium

Résumé: Chez les mammifères, les intestins sont les organes ayant le plus haut taux de renouvellement cellulaire dans l'organisme. L'épithélium intestinal se renouvelle complètement en moins d'une semaine. Il se compose de projections (villosités) et d'invaginations (cryptes) qui ont toutes deux des fonctions bien distinctes. Les cellules de l'intestin sont constamment produites à partir de cellules souches, situées dans la crypte, qui se différencient en cellules proliférantes transitoires, puis en cellules caliciformes, de Paneth, entéroendocrine ou en entérocytes. Ces cellules migrent dans leurs lieux spécifiques pour accomplir leur fonction physiologique pour finalement mourir. A cours de mon travail de thèse, j'ai étudié le rôle de la voie de signalisation de Notch dans le renouvellement cellulaire et dans le processus de l'homéostase des cellules de l'intestin marin en utilisant le système Cre-loxP pour induire la délétion des gènes Notch1, Notch2, Jaggedl et RBP-Jk. Bien que l'inactivation de Notch1 avec ou sans Jagged1, ou celle de Notch2, n'aboutissent à aucun phénotype, une déficience pour RBP-Jk, ou pour Notch1 et Notch2 simultanément, conduit au développement d'un impressionnant phénotype. Au niveau de la crypte, une rapide et importante modification des cellules apparaît: les cellules proliférantes sont devenues des cellules caliciformes qui ont perdu la capacité de se renouveler. Ces résultats impliquent la voie Notch en tant que nouvelle clé de voûte dans le maintien des cellules qui s'auto-renouvellent dans l'épithélium intestinal. Un rôle similaire a été proposé pour la voie Wnt, laquelle n'est cependant, pas affectée dans nos souris. C'est pourquoi ces deux voies sont essentielles dans le maintien de la prolifération dans les cryptes intestinales. Ce travail a aussi proposé un mécanisme par lequel la voie Notch contrôlerait l'intégrité du cycle cellulaire dans les cellules de la crypte intestinale, ceci en inhibant la transcription d'un inhibiteur du cycle cellulaire, la protéine p27KIP1. De plus, l'inactivation de RBP-Jk dans les adénomes développés par les souris APCmin induisent la différenciation de cellules tumorales en cellules caliciformes. Comme autre effet, la localisation histologique des cellules de Paneth est également affectée par la délétion de RBP-Jk ou de Notch1/Notch2, suggérant un rôle pour la voie Notch dans le compartiment des cellules de Paneth. Finalement, ce travail démontre que les cellules progénitrices de l'intestin ont besoin d'une convergence fonctionnelle des voie Wnt et Notch. Ces résultats préliminaires peuvent être considérés comme un concept pour l'utilisation d'inhibiteurs de secrétase-γ (inhibiteurs de Notch) à des fins thérapeutiques pour les cancers colorectaux. Summary The mammalian intestine has one of the highest cellular turnover rates in the body. The complete intestinal epithelium is renewed in less than a week. It is divided into spatially distinct compartments in the form of finger-like projections (villi) and flask-shaped invaginations (crypts) that are dedicated to specific functions. Intestinal cells are constantly produced from a stem cell reservoir that gives rise to proliferating transient amplifying cells, which subsequently differentiate and home to their specific compartments before dying after having fulfilled their physiological function. In this thesis project, the physiological role of the Notch signalling cascade in the marine intestine was studied. Inducible tissue specific inactivation of Notch1, Notch2, Jagged1 and RBP-Jk genes was applied to assess their role in the maintenance of intestinal homeostasis and cell fate determination. The analysis unequivocally revealed that Notch1, Notch1 and Jagged1 combined as well as Notch2 are dispensable for intestinal homeostasis and lineage differentiation. However, deficiency of RBP-Jk as well as the simultaneous inactivation of both Notch1 and Notch2 receptors unveiled a striking phenotype. In these mice, a rapid and massive conversion of proliferative crypt cells into post-mitotic goblet cells was observed. These results identify the Notch pathway as a key player for the maintenance of the proliferative crypt compartment. A similar role was implicated for the Wnt cascade, which, however, was not affected in the different tissue specific Notch signalling deficient mice. Thus, the Wnt and Notch signalling pathways are essential for the self-renewal capacity of the intestinal epithelium. Furthermore, our results suggest a molecular mechanism for Notch signalling mediated control of cell cycle regulation within the crypt. The Notch cascade inhibits expression of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27KIP1 and thereby maintains proliferation of the intestinal progenitor cells. In addition, the inactivation of RBP-Jk in adenomas developed by APCmin mice resulted in the differentiation of tumour cells into goblet cells. Finally, Notch deficiency affected differentiated Paneth cells, suggesting that Notch may play a role in the Paneth cell compartment. In summary, this work clearly demonstrates that undifferentiated, proliferative cells in intestinal crypts require the concerted activation of the RBP-Jk-mediated Notch signalling and the Wnt cascade. In addition, our preliminary results can be considered as a "proof-of-principle" for the use of γ-secretase inhibitors for therapeutic modalities for colorectal cancer.

Analysis of selectin ligands supporting hematologic malignancy cell interactions with their microenvironment : focus on leukemia and multiple myeloma

CONTEXTE: Les sélectines sont une famille de trois protéines qui règlent la capture et le roulement des leucocytes et qui initient la cascade d'adhésion. Elles contrôlent également la migration des leucocytes en réponse à un stimulus physiologique ou inflammatoire pour atteindre un organe cible. Le rôle des sélectines et des leurs ligands est bien connu dans l'adhésion des leucocytes normaux à l'endothélium; en revanche, la nature des ligands des sélectines exprimés par les cellules leucémiques et le myélome multiple est peu connue. La récente découverte que la E- et la P-sélectine sont exprimées par les cellules endothéliales et du stroma de la moelle osseuse, nous a incité à examiner leur rôle dans les interactions des cellules malignes avec leur environnement médullaire. RÉSULTATS: Les analyses ont été conduites sur les cellules du sang ou de la moelle osseuse prélevées à des patients atteints de leucémie aiguë ou de myélome multiple et sur des lignées cellulaires. Les ligands des sélectines qui ont été identifiés sur les blastes leucémiques ou les plasmocytes, sont « P-selectin glycoprotein ligand-1 » (PSGL-1), CD44, CD43 et l'endoglycan (EGC), ainsi que les saccharides fucosylés sLex et CLA. Nous avons vérifié dans des expériences d'adhésion cellulaire effectuées dans des conditions de flux que ces ligands sont fonctionnels, étant porteurs des sucres mentionnés, et qu'ils sont capables de supporter le roulement cellulaire dépendant des sélectines. De plus, nous avons montré que la liaison de ces ligands génère des signaux intracellulaires favorisant la prolifération et la survie des cellules de myélome. CONCLUSION. Les données présentées ici montrent que la E- et la P- sélectine du microenvironnement médullaire interagissent avec les cellules leucémiques et de myélome multiple, et que ces interactions activent des voies de signalisation contrôlant la prolifération et la survie cellulaire. Ces effets protecteurs sont impliqués dans la persistance de clones cellulaires malins résistant aux traitements et peuvent conduire à la récidive de la maladie. L'inhibition de ces interactions pourrait fournir de nouvelles options thérapeutiques pour le traitement de ces maladies de mauvais pronostic. - BACKGROUND: Selectins are a family of glycoproteins involved in the first steps of the adhesion cascade, tethering and rolling, during which leukocytes sense tissue specific signals and commit the cells to enter in a particular organ or inflammation site. While the role of selectins and their ligands is well established in supporting normal leukocyte adhesion to vascular endothelium, our knowledge of selectin ligands in two hematological malignancies, acute leukemia and multiple myeloma, is incomplete. The recent discovery that E- and P- selectin are also expressed on bone marrow (BM) endothelial and stromal cells, prompted us to investigate a potential role in selectin-mediated interaction of malignant cells with its protective BM microenvironment. RESULTS. Using cells obtained from blood or BM of patients affected by acute myeloid or lymphoblastic leukemia, or multiple myeloma, as well as cell lines, we characterized the expression of selectin ligands on blasts and plasma cells and identified P-selectin glycoprotein ligand-1 (PSGL-1), CD44, CD43 and endoglycan (EGC), as well as sLex/CLA determinants. Rolling assays under flow conditions allowed us to verify that these ligands are functional, i.e. correctly glycosylated and able to support selectin-mediated rolling. Moreover, we demonstrated that these ligands trigger proliferation and pro-survival signals upon engagement on myeloma cells. CONCLUSIONS. Data presented here demonstrate that E- and P-selectin in the BM microenvironment interact with leukemia and myeloma cells, and suggest that they have an impact on proliferation and survival of malignant plasma cells. These protective effects may induce drug resistance in malignant clones, leading to disease relapse. Interfering with these interactions could provide new therapeutic options. - Le corps humain dépend du système immunitaire pour sa protection face aux agressions, notamment des bactéries ou des virus, ou face à une dysfonction de l'organisme. Ce système est composé de plusieurs types cellulaires, regroupés sous le nom de leucocytes, qui participent à son fonctionnement. Ces cellules se développent à partir d'une cellule souche hématopo'iétique commune qui réside dans la moelle osseuse. Comme c'est le cas dans les autres tissus, les cellules du système immunitaire peuvent aussi développer des cancers, appelés tumeurs hématopoïétiques ou tumeurs du sang. Bien que ces maladies puissent être traitées avec succès grâce à de fortes doses de chimiothérapies ou à d'autres moyens comme les greffes, les patients connaissent un fort taux de rechute. La raison de ces récidives est la survie d'une partie des cellules malignes dans la moelle osseuse, où elles reçoivent une protection au traitement par le biais de l'interaction avec d'autres cellules. Les sélectines (E-, P- et L-sélectine) régulent l'interaction des leucocytes avec l'endothélium (la paroi des vaisseaux sanguins), d'autres leucocytes et les plaquettes ; ces interactions surviennent quand les leucocytes atteignent un site d'inflammation ou un organe cible. Dans la moelle osseuse, la E- et la P-sélectine se trouvent sur les cellules de l'endothélium et sur les macrophages, qui sont d'autres leucocytes faisant partie du stroma de la moelle. Elles pourraient être impliquées dans la protection des cellules cancéreuses évoquée plus haut. Les molécules d'adhésion avec lesquelles les sélectines s'associent, autrement dit les ligands des sélectines, sont des glycoprotéines. Ces protéines ont besoin de sucres spécifiques pour acquérir une telle capacité d'adhésion. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié deux types de cellules extraites du sang et de la moelle osseuse des patients atteints d'une leucémie aiguë (les blastes) ou de myélome multiple (les plasmocytes), et leur capacité à se lier aux sélectines. Nous avons démontré une interaction entre ces cellules malignes et la E- et/ou la P-sélectine, à condition que les ligands soient correctement décorés. De plus, lors que les plasmocytes se lient aux sélectines, une cascade de signaux à l'intérieur des cellules stimule leur prolifération et leur survie. L'ensemble de ces résultats permet l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles de ces hémopathies de mauvais pronostic.

The molecular signature of the stroma response in prostate cancer-induced osteoblastic bone metastasis highlights expansion of hematopoietic and prostate epithelial stem cell niches.

The reciprocal interaction between cancer cells and the tissue-specific stroma is critical for primary and metastatic tumor growth progression. Prostate cancer cells colonize preferentially bone (osteotropism), where they alter the physiological balance between osteoblast-mediated bone formation and osteoclast-mediated bone resorption, and elicit prevalently an osteoblastic response (osteoinduction). The molecular cues provided by osteoblasts for the survival and growth of bone metastatic prostate cancer cells are largely unknown. We exploited the sufficient divergence between human and mouse RNA sequences together with redefinition of highly species-specific gene arrays by computer-aided and experimental exclusion of cross-hybridizing oligonucleotide probes. This strategy allowed the dissection of the stroma (mouse) from the cancer cell (human) transcriptome in bone metastasis xenograft models of human osteoinductive prostate cancer cells (VCaP and C4-2B). As a result, we generated the osteoblastic bone metastasis-associated stroma transcriptome (OB-BMST). Subtraction of genes shared by inflammation, wound healing and desmoplastic responses, and by the tissue type-independent stroma responses to a variety of non-osteotropic and osteotropic primary cancers generated a curated gene signature ("Core" OB-BMST) putatively representing the bone marrow/bone-specific stroma response to prostate cancer-induced, osteoblastic bone metastasis. The expression pattern of three representative Core OB-BMST genes (PTN, EPHA3 and FSCN1) seems to confirm the bone specificity of this response. A robust induction of genes involved in osteogenesis and angiogenesis dominates both the OB-BMST and Core OB-BMST. This translates in an amplification of hematopoietic and, remarkably, prostate epithelial stem cell niche components that may function as a self-reinforcing bone metastatic niche providing a growth support specific for osteoinductive prostate cancer cells. The induction of this combinatorial stem cell niche is a novel mechanism that may also explain cancer cell osteotropism and local interference with hematopoiesis (myelophthisis). Accordingly, these stem cell niche components may represent innovative therapeutic targets and/or serum biomarkers in osteoblastic bone metastasis.

Molecular basis of interaction between Na,K-ATPase and FXYD proteins.

Résumé au large public Notre corps est constitué de différents types de cellules. La condition minimale ou primordiale pour la survie des cellules est d'avoir de l'énergie. Cette tâche est assumée en partie par une protéine qui se situe dans la membrane de chaque cellule. Nommé Na, K¬ATPase ou pompe à sodium, c'est une protéine pressente dans toutes les cellules chez les mammifères est composée de deux sous-unités, α et β. En transportant 3 ions de sodium hors de la cellule et 2 ions de potassium à l'intérieur de la cellule, elle transforme l'énergie chimique sous forme de l'ATP en énergie motrice, qui permet aux cellules par la suite d'échanger des matériaux entre l'espace intracellulaire et extracellulaire ainsi que d'ingérer des nutriments provenant de son environnement. Le manque de cette protéine chez la souris entraîne la mort de l'embryon. Des défauts fonctionnels de cette protéine sont responsables de plusieurs maladies humaines comme par exemple, un type de migraine. En dehors de sa fonction vitale, cette protéine est également engagée dans diverses activités physiologiques comme la contractilité musculaire, l'activité nerveuse et la régulation du volume sanguin. Vue l'importance de cette protéine, sa découverte par Jens C. Skou en 1957 a été honorée d'un Prix Noble de chimie quarante ans plus tard. Depuis lors, nous connaissons de mieux en mieux les mécanismes de fonctionnement de la Na, K-ATPase. Entre autre, sa régulation par une famille de protéines appelées protéines FXYD. Cette famille contient 7 membres (FXYD 1-7). L'un d'entre eux nommé FXYD 2 est lié à une maladie héréditaire connue sous le nom de hypomagnesemia. Nous disposons actuellement d'informations concernant les conséquences de la régulation par les protéines FXYD sur activité de la Na, K-ATPase, mais nous savons très peu sur le mode d'interaction entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. Dans ce travail de thèse, nous avons réussi à localiser des zones d'interaction dans la sous- unité a de la Na, K-ATPase et dans FXYD 7. En même temps, nous avons déterminé un 3ème site de liaison spécifique au sodium de la Na, K-ATPase. Une partie de ce site se situe à l'intérieur d'un domaine protéique qui interagit avec les protéines FXYD. De plus, ce site a été démontré comme responsable d'un mécanisme de transport de la Na, K-ATPase caractérisé par un influx ionique. En conclusion, les résultats de ce travail de thèse fournissent de nouvelles preuves sur les régions d'interaction entre la Na, K-ATPase et les protéines FXYD. La détermination d'un 3ème site spécifique au sodium et sa relation avec un influx ionique offrent la possibilité 1) d'explorer les mécanismes avec lesquels les protéines FXYD régulent l'activité de la Na, ATPase et 2) de localiser un site à sodium qui est essentielle pour mieux comprendre l'organisation et le fonctionnement de la Na, K-ATPase. Résumé Les gradients de concentration de Na+ et de K+ à travers la membrane plasmatique des cellules animales sont cruciaux pour la survie et l'homéostasie de cellules. De plus, des fonctions cellulaires spécifiques telles que la reabsorption de Na dans le rein et le côlon, la contraction musculaire et l'excitabilité nerveuse dépendent de ces gradients. La Na, K¬ATPase ou pompe à sodium est une protéine membranaire ubiquitaire. Elle crée et maintient ces gradients en utilisant l'énergie obtenu par l'hydrolyse de l'adénosine triphosphate. L'unité fonctionnelle minimale de cette protéine se compose d'une sous-unité catalytique α et d'une sous-unité régulatrice β. Récemment, il a été montré que des membres de la famille FXYD, sont des régulateurs tissu-spécifiques de la Na, K-ATPase qui influencent ses propriétés de transport. Cependant, on connaît peu de chose au sujet de la nature moléculaire de l'interaction entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. Dans cette étude, nous fournissons, pour la première fois, l'évidence directe que des résidus du domaine transmembranaire (TM) 9 de la sous-unité α de la Na, K-ATPase sont impliqués dans l'interaction fonctionnelle et structurale avec les protéines FXYD. De plus nous avons identifié des régions dans le domaine transmembranaire de FXYD 7 qui sont importantes pour l'association stable avec la Na, K-ATPase et une série de résidus responsables des régulations fonctionnelles. Nous avons aussi montré les contributions fonctionnelles du TM 9 de la Na, K-ATPase à la translocation de Na + en déterminant un 3ème site spécifique au Na+. Ce site se situe probablement dans un espace entre TM 9, TM 6 et TM 5 de la sous-unité α de la pompe à sodium. De plus, nous avons constaté que le 3ème site de Na + est fonctionnellement lié à un courant entrant de la pompe sensible à l'ouabaïne et activé par le pH acide. En conclusion, ce travail donne de nouvelles perspectives de l'interaction structurale et fonctionnelle entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. En outre, les contributions fonctionnelles de TM 9 offrent de nouvelles possibilités pour explorer le mécanisme par lequel les protéines FXYD régulent les propriétés fonctionnelles de la Na, K-ATPase. La détermination du 3ème site au Na + fournit une compréhension avancée du site spécifique au Na + de la Na, K-ATPase et du mécanisme de transport de la Na, K-ATPase. Summary The Na+ and K+ gradients across the plasma membrane of animal cells are crucial for cell survival and homeostasis. Moreover, specific tissue functions such as Na+ reabsorption in kidney and colon, muscle contraction and nerve excitability depend on the maintenance of these gradients. Na, K-ATPase or sodium pump, an ubiquitous membrane protein, creates and maintains these gradients by using the energy from the hydrolysis of ATP. The minimal functional unit of this protein is composed of a catalytic α subunit and a regulatory β subunit. Recently, members of the FXYD family, have been reported to be tissue-specific regulators of Na, K-ATPase by influencing its transport properties. However, little is known about the molecular nature of the interaction between FXYD proteins and Na, K-ATPase. In this study, we provide, for the first time, direct evidence that residues from the transmembrane (TM) domain 9 of the α subunit of Na, K-ATPase are implicated in the functional and structural interaction with FXYD proteins. Moreover, we have identified regions in the TM domain of FXYD 7 important for the stable association with Na, K-ATPase and a stretch of residues responsible for the functional regulations. We have further revealed the functional contributions of TM 9 of the Na, K-ATPase α subunit to the Na+ translocation by determining a 3rd Na+-specific cation binding site. This site is likely in a space between TM 9, TM 6 and TM 5 of the a subunit of the sodium pump. Moreover, we have found that the 3rd Na+ binding site is functionally linked to an acidic pH- activated ouabain-sensitive inward pump current. In conclusion, this work gives new insights into the structural and functional interaction between FXYD proteins and Na, K-ATPase. Functional contributions of TM 9 offer new possibilities to explore the mechanism by which FXYD proteins regulate functional properties of Na, K-ATPase. The determination of the 3rd Na+ binding site provides an advanced understanding concerning the Na+ -specific binding site of Na, K-ATPase and the 3rd Na+ site related transport mechanism.

Exploring the mechanisms regulating nutrient bioavailability and lipid metabolism through a nutrigenomics approach

SUMMARY Following the complete sequencing of the human genome, the field of nutrition has begun utilizing this vast quantity of information to comprehensively explore the interactions between diet and genes. This approach, coined nutrigenomics, aims to determine the influence of common dietary ingredients on the genome, and attempts to relate the resulting different phenotypes to differences in the cellular and/or genetic response of the biological system. However, complementary to defining the biological outcomes of dietary ingredients, we must also understand the influence of the multiple factors (such as the microbiota, bile, and function of transporters) that may contribute to the bioavailability, and ultimately bioefficacy, of these ingredients. The gastrointestinal tract (GIT) is the body's foremost tissue boundary, interacting with nutrients, exogenous compounds and microbiota, and whose condition is influenced by the complex interplay between these environmental factors and genetic elements. In order to understand GIT nutrient-gene interactions, our goal was to comprehensively elucidate the region-specific gene expression underlying intestinal functions. We found important regional differences in the expression of members of the ATP-binding cassette family of transporters in the mouse intestine, suggesting that absorption of dietary compounds may vary along the GIT. Furthermore, the influence of the microbiota on host gene expression indicated that this luminal factor predominantly influences immune function and water transport throughout the GIT; however, the identification of region-specific functions suggest distinct host-bacterial interactions along the GIT. Thus, these findings reinforce that to understand nutrient bioavailability and GIT function, one must consider the physiologically distinct regions of the gut. Nutritional molecules absorbed by the enterocytes of the GIT enter circulation and will be selectively absorbed and metabolised by tissues throughout the body; however, their bioefficacy in the body will depend on the unique and shared molecular mechanisms of the various tissues. Using a nutrigenomic approach, the biological responses of the liver and hippocampus of mice fed different long chain-polyunsaturated fatty acids diets revealed tissue-specific responses. Furthermore, we identified stearoyl-CoA desaturase as a hepatic target for arachidonic acid, suggesting a potentially novel molecular mechanism that may protect against diet-induced obesity. In summary, this work begins to unveil the fundamentally important role that nutrigenomics will play in unravelling the molecular mechanisms, and those exogenous factors capable of influencing these mechanisms, that regulate the bioefficacy of nutritional molecules. RÉSUMÉ Suite au séquençage complet du génome humain, le domaine de la nutrition a commencé à utiliser cette vaste quantité d'information pour explorer de manière globale les interactions entre la nourriture et les gènes. Cette approche, appelée « nutrigenomics », a pour but de déterminer l'influence d'ingrédients couramment utilisés dans l'alimentation sur le génome, et d'essayer de relier ces différents phénotypes, ainsi révélés, à des différences de réponses cellulaires et/ou génétiques. Cependant, en plus de définir les effets biologiques d'ingrédients alimentaires, il est important de comprendre l'influence des multiples facteurs (telle que la microflore, la bile et la fonction des transporteurs) pouvant contribuer à la bio- disponibilité et par conséquent à l'efficacité de ces ingrédients. Le tractus gastro-intestinal (TGI), qui est la première barrière vers les tissus, interagit avec les nutriments, les composés exogènes et la microflore. La fonction de cet organe est influencée par les interactions complexes entre les facteurs environnementaux et les éléments génétiques. Dans le but de comprendre les interactions entre les nutriments et les gènes au niveau du TGI, notre objectif a été de décrire de manière globale l'expression génique spécifique de chaque région de l'intestin définissant leurs fonctions. Nous avons trouvé d'importantes différences régionales dans l'expression des transporteurs de la famille des « ATP-binding cassette transporter » dans l'intestin de souris, suggérant que l'absorption des composés alimentaires puisse varier le long de l'intestin. De plus, l'étude des effets de la microflore sur l'expression des gènes hôtes a indiqué que ce facteur de la lumière intestinale influence surtout la fonction immunitaire et le transport de l'eau à travers l'intestin. Cependant, l'identification des fonctions spécifiques de chaque région suggère des interactions distinctes entre l'hôte et les bactéries le long de l'intestin. Ainsi, ces résultats renforcent l'idée que la compréhension de la bio-disponibilité des nutriments, et par conséquent la fonction du TGI, doit prendre en considération les différences régionales. Les molécules nutritionnelles transportées par les entérocytes jusqu'à la circulation sanguine, sont ensuite sélectivement absorbées et métabolisées par les différents tissus de l'organisme. Cependant, leur efficacité biologique dépendra du mécanisme commun ou spécifique de chaque tissu. En utilisant une approche « nutriogenomics », nous avons pu mettre en évidence les réponses biologiques spécifiques du foie et de l'hippocampe de souris nourris avec des régimes supplémentés avec différents acides gras poly-insaturés à chaîne longue. De plus, nous avons identifié la stearoyl-CoA desaturase comme une cible hépatique pour l'acide arachidonique, suggérant un nouveau mécanisme moléculaire pouvant potentiellement protéger contre le développement de l'obésité. En résumé, ce travail a permis de dévoiler le rôle fondamental qu'une approche telle que la « nutrigenomics » peut jouer dans le décryptage des mécanismes moléculaires et de leur régulation par des facteurs exogènes, qui ensemble vont contrôler l'efficacité biologique des nutriments.