JNK3 is abundant in insulin-secreting cells and protects against cytokine-induced apoptosis.

AIMS/HYPOTHESIS: In insulin-secreting cells, activation of the c-Jun NH(2)-terminal kinase (JNK) pathway triggers apoptosis. Whereas JNK1 and JNK2 are ubiquitously produced, JNK3 has been described exclusively in neurons. This report aims to characterise the expression and role in apoptosis of the three JNK isoforms in insulin-secreting cells exposed to cytokines. METHODS: Sections of human and mouse pancreases were used for immunohistochemistry studies with isoform-specific anti-JNK antibodies. Human, pig, mouse and rat pancreatic islets were isolated by enzymatic digestion and RNA or protein extracts were prepared. RNA and protein levels were determined by quantitative RT-PCR and western blotting respectively, using JNK-isoform-specific primers and isoform-specific antibodies; activities of the three JNK isoforms were determined by kinase assays following quantitative immunoprecipitation/depletion of JNK3. JNK silencing was performed with small interfering RNAs and apoptotic rates were determined in INS-1E cells by scoring cells displaying pycnotic nuclei. RESULTS: JNK3 and JNK2 mRNAs are the predominant isoforms expressed in human pancreatic islets. JNK3 is nuclear while JNK2 is also cytoplasmic. In INS-1E cells, JNK3 knockdown increases c-Jun levels and caspase-3 cleavage and sensitises cells to cytokine-induced apoptosis; in contrast, JNK1 or JNK2 knockdown is protective. CONCLUSIONS/INTERPRETATION: In insulin-secreting cells, JNK3 plays an active role in preserving pancreatic beta cell mass from cytokine attacks. The specific localisation of JNK3 in the nucleus, its recruitment by cytokines, and its effects on key transcription factors such as c-Jun, indicate that JNK3 is certainly an important player in the transcriptional control of genes expressed in insulin-secreting cells.

The tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand receptors TRAIL-R1 and TRAIL-R2 have distinct cross-linking requirements for initiation of apoptosis and are non-redundant in JNK activation.

Overexpression of the tumor necrosis factor (TNF)-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) receptors, TRAIL-R1 and TRAIL-R2, induces apoptosis and activation of NF-kappaB in cultured cells. In this study, we have demonstrated differential signaling capacities by both receptors using either epitope-tagged soluble TRAIL (sTRAIL) or sTRAIL that was cross-linked with a monoclonal antibody. Interestingly, sTRAIL was sufficient for induction of apoptosis only in cell lines that were killed by agonistic TRAIL-R1- and TRAIL-R2-specific IgG preparations. Moreover, in these cell lines interleukin-6 secretion and NF-kappaB activation were induced by cross-linked or non-cross-linked anti-TRAIL, as well as by both receptor-specific IgGs. However, cross-linking of sTRAIL was required for induction of apoptosis in cell lines that only responded to the agonistic anti-TRAIL-R2-IgG. Interestingly, activation of c-Jun N-terminal kinase (JNK) was only observed in response to either cross-linked sTRAIL or anti-TRAIL-R2-IgG even in cell lines where both receptors were capable of signaling apoptosis and NF-kappaB activation. Taken together, our data suggest that TRAIL-R1 responds to either cross-linked or non-cross-linked sTRAIL which signals NF-kappaB activation and apoptosis, whereas TRAIL-R2 signals NF-kappaB activation, apoptosis, and JNK activation only in response to cross-linked TRAIL.

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.

The scaffold protein IB1/JIP-1 is a critical mediator of cytokine-induced apoptosis in pancreatic beta cells.

In insulin-secreting cells, cytokines activate the c-Jun N-terminal kinase (JNK), which contributes to a cell signaling towards apoptosis. The JNK activation requires the presence of the murine scaffold protein JNK-interacting protein 1 (JIP-1) or human Islet-brain 1(IB1), which organizes MLK3, MKK7 and JNK for proper signaling specificity. Here, we used adenovirus-mediated gene transfer to modulate IB1/JIP-1 cellular content in order to investigate the contribution of IB1/JIP-1 to beta-cell survival. Exposure of the insulin-producing cell line INS-1 or isolated rat pancreatic islets to cytokines (interferon-gamma, tumor necrosis factor-alpha and interleukin-1beta) induced a marked reduction of IB1/JIP-1 content and a concomitant increase in JNK activity and apoptosis rate. This JNK-induced pro-apoptotic program was prevented in INS-1 cells by overproducing IB1/JIP-1 and this effect was associated with inhibition of caspase-3 cleavage. Conversely, reducing IB1/JIP-1 content in INS-1 cells and isolated pancreatic islets induced a robust increase in basal and cytokine-stimulated apoptosis. In heterozygous mice carrying a selective disruption of the IB1/JIP-1 gene, the reduction in IB1/JIP-1 content in happloinsufficient isolated pancreatic islets was associated with an increased JNK activity and basal apoptosis. These data demonstrate that modulation of the IB1-JIP-1 content in beta cells is a crucial regulator of JNK signaling pathway and of cytokine-induced apoptosis.

From diabetes to heart disease : studies on dyslipidemia-induced B-cell dysfunction, immunomodulation in heart transplantation, and cardiac stem cell therapy

Diabetes is a growing epidemic with devastating human, social and economic impact. It is associated with significant changes in plasma concentrations of lipoproteins. We tested the hypothesis that lipoproteins modulate the function and survival of insulin-secreting cells. We first detected the presence of several receptors that participate in the binding and processing of plasma lipoproteins and confirmed the internalization of fluorescent LDL and HDL particles in insulin-secreting β-cells. Purified human VLDL and LDL particles reduced insulin mRNA levels and β-cell proliferation, and induced a dose-dependent increase in the rate of apoptosis. In mice lacking the LDL receptor, islets showed a dramatic decrease in LDL uptake and were partially resistant to apoptosis caused by LDL. VLDL-induced apoptosis of β-cells involved caspase-3 cleavage and reduction in levels of the c-Jun N-terminal (JNK) Interacting Protein-1 (IB1/JIP-1). In contrast, the pro-apoptotic signaling of lipoproteins was antagonized by HDL particles or by a small peptide inhibitor of JNK. The protective effects of HDL were mediated, in part, by inhibition of caspase-3 cleavage and activation of the protein kinase Akt/PKB. Heart disease is a major cause of morbidity and mortality among patients with diabetes. When heart failure is refractory to medical therapy and cannot be improved by electrical resynchronization, percutaneous angioplasty or coronary graft bypass surgery, heart transplantation remains a "last resort" therapy. Nevertheless, it is limited by the side effects of immunosuppressive drugs and chronic rejection. Localized expression of immunomodulatory genes in the donor organ can create a state of immune privilege within the graft, and was performed in rodent hearts by infecting cells with an adenovirus encoding indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), the rate-limiting enzyme in the catabolism of tryptophane. Other strategies are based on genetic manipulation of dendritic cells (DCs) with immunosuppressive genes and in vitro exposure of DCs to agents that prevent their maturation by inflammatory cytokines. Finally, we used 5-bromo-2'-deoxyuridine, which is incorporated into DNA and diluted with cell division, to identify long-term label retaining cells in the adult rodent heart. The majority of these cells were positive for the stem cell antigen-1 (Sca-1) and negative for the endothelial precursor marker CD31. They formed cardiospheres in vitro and showed differentiation potential into mesenchymal cell lineages. When cultured in cardiomyogenic differentiation medium, they expressed cardiac-specific genes. Taken together, these data provide evidence of slow-cycling stem cells in the rodent heart. Chronic shortage of donor organs opens the way to cardiac stem cell therapy in humans, although the long way from animal experimentation to routine therapy in patients may still take several years. - Du diabète de type 2 à la maladie coronarienne : trois études sur les dysfonctions de la cellule sécrétrice d'insuline induites par les dyslipidémies, l'immunomodulation dans la transplantation cardiaque, et la thérapie par des cellules souches myocardiques. Le diabète de type 2 a pris les dimensions d'une épidémie, avec des conséquences sociales et économiques dont nous n'avons pas encore pris toute la mesure. La maladie s'accompagne souvent d'une dyslipidémie caractérisée par une hypertriglycéridémie, des taux abaissés de cholestérol HDL, et des concentrations de cholestérol LDL à la limite supérieure de ce qui est considéré comme acceptable. L'hypothèse à la base de cette étude est qu'une modification des taux plasmatiques de lipoprotéines pourrait avoir une influence directe sur la cellule β sécrétrice d'insuline en modifiant sa fonction, sa durée de vie et son taux de régénération. Dans un premier temps, nous avons mis en évidence, sur la cellule β, la présence de plusieurs récepteurs impliqués dans la captation des lipoprotéines. Nous avons confirmé la fonctionnalité de ces récepteurs en suivant l'internalisation de LDL et de HDL marqués. En présence de VLDL ou de LDL humains, nous avons observé une diminution de la transcription du gène de l'insuline, une prolifération cellulaire réduite, et une augmentation de l'apoptose, toutes fonctions de la dose et du temps d'exposition. L'apoptose induite par les VLDL passe par une activation de la caspase-3 et une réduction du taux de la protéine IB1/JIP-1 (Islet Brain1/JNK Interacting Protein 1), dont une mutation est associée à une forme monogénique de diabète de type 2. Par opposition, les HDL, ainsi que des peptides inhibiteurs de JNK, sont capables de contrer la cascade pro-apoptotique déclenchée, respectivement, par les LDL et les VLDL. Ces effets protecteurs comprennent l'inhibition du clivage de la caspase-3 et l'activation de la protéine kinase Akt/PKB. En conclusion, les lipoprotéines sont des éléments clés de la survie de la cellule β, et pourraient contribuer au dysfonctionnement observé dans le pancréas endocrine au cours du développement du diabète. La maladie cardiaque, et plus particulièrement la maladie coronarienne, est une cause majeure de morbidité et de mortalité chez les patients atteints de diabète. Plusieurs stratégies sont utilisées quotidiennement pour pallier les atteintes cardiaques: traitements médicamenteux, électromécaniques par resynchronisation électrique, ou communément appelés « interventionnels » lorsqu'ils font appel à l'angioplastie percutanée. La revascularisation du myocarde par des pontages coronariens donne également de très bons résultats dans certaines situations. Il existe toutefois des cas où plus aucune de ces approches n'est suffisante. La transplantation cardiaque est alors la thérapie de choix pour un nombre restreint de patients. La thérapie génique, en permettant l'expression locale de gènes immunomodulateurs dans l'organe greffé, permet de diminuer les réactions de rejet inhérentes à toute transplantation (à l'exception de celles réalisées entre deux jumeaux homozygotes). Nous avons appliqué chez des rongeurs cette stratégie en infectant le coeur greffé avec un adénovirus codant pour l'enzyme indoleamine 2,3-dioxygénase (IDO), une enzyme clé dans le catabolisme du tryptophane. Nous avons procédé de manière identique in vitro en surexprimant IDO dans les cellules dendritiques, dont le rôle est de présenter les antigènes aux lymphocytes Τ du receveur. Des expériences similaires ont été réalisées en traitant les cellules dendritiques avec des substances capables de prévenir, en partie du moins, leur maturation par des agents pro-inflammatoires. Finalement, nous avons exploré une stratégie utilisée couramment en hématologie, mais qui n'en est encore qu'à ses débuts au niveau cardiaque : la thérapie par des cellules souches. En traitant des rongeurs avec un marqueur qui s'incorpore dans l'ADN nucléaire, le 5-bromo- 2'-deoxyuridine, nous avons identifié une population cellulaire se divisant rarement, positive en grande partie pour l'antigène embryonnaire Sca-1 et négative pour le marqueur endothélial CD31. En culture, ces cellules forment des cardiosphères et sont capables de se différencier dans les principaux types tissulaires mésenchymateux. Dans un milieu de differentiation adéquat, ces cellules expriment des gènes cardiomyocytaires. En résumé, ces données confirment la présence chez le rongeur d'une population résidente de précurseurs myocardiques. En addenda, on trouvera deux publications relatives à la cellule β productrice d'insuline. Le premier article démontre le rôle essentiel joué par la complexine dans l'insulino-sécrétion, tandis que le second souligne l'importance de la protéine IB1/JIP-1 dans la protection contre l'apoptose de la cellule β induite par certaines cytokines.

Neuroprotection in cerebral ischemia with XG-102, a new peptide inhibitor of JNK

Abstract Stroke or cerebrovascular accident, whose great majority is of ischemic nature, is the third leading cause of mortality and long lasting disability in industrialised countries. Resulting from the loss of blood supply to the brain depriving cerebral tissues of oxygen and glucose, it induces irreversible neuronal damages. Despite the large amount of research carried out into the causes and pathogenic features of cerebral ischemia the progress toward effective treatments has been poor. Apart the clot-busting drug tissue-type plasminogen activator (tPA) as effective therapy for acute stroke (reperfusion by thrombolysis) but limited to a low percentage of patients, there are currently no other approved medical treatments. The need for new therapy strategies is therefore imperative. Neuronal death in cerebral ischemia is among others due to excitotoxic mechanisms very early after stroke onset. One of the main involved molecular pathways leading to excitotoxic cell death is the c-Jun NH2-terminal kinase (JNK) pathway. Several studies have already shown the efficacy of a neuroprotective agent of a new type, a dextrogyre peptide synthesized in the retro inverso form (XG102, formerly D-JNKI1), which is protease-resistant and cell-penetrating and that selectively and strongly blocks the access of JNK to many of its targets. A powerful protection was observed with this compound in several models of ischemia (Borsello et al. 2003;Hirt et al. 2004). This chimeric compound, made up of a 10 amino acid TAT transporter sequence followed by a 20 amino acids JNK binding domain (JBD) sequence from JNK inhibitor protein (JIP) molecule, induced both a major reduction in lesion size and improved functional outcome. Moreover it presents a wide therapeutic window. XG-102 has proved its powerful efficacy in an occlusion model of middle cerebral artery in mice with intracérebroventricular (i.c.v.) injection but in order to be able to consider the development of this drug for human ischemic stroke it was therefore necessary to determine the feasibility of its systemic administration. The studies being the subject of this thesis made it possible to show a successful neuroprotection with XG-102 administered systemically after transient mouse middle cerebral artery occlusion (MCAo). Moreover our data. provided information about the feasibility to combine XG-102 with tPA without detrimental action on cell survival. By combining the benefits from a reperfusion treatment with the effects of a neuroprotective compound, it would represent the advantage of bringing better chances to protect the cerebral tissue. Résumé L'attaque cérébrale ou accident vasculaire cérébral, dont la grande majorité est de nature ischémique, constitue la troisième cause de mortalité et d'infirmité dans les pays industrialisés. Résultant de la perte d'approvisionnement de sang au cerveau privant les tissus cérébraux d'oxygène et de glucose, elle induit des dommages neuronaux irréversibles. En dépit du nombre élevé de recherches effectuées pour caractériser les mécanismes pathogènes de l'ischémie. cérébrale, les progrès vers des traitements efficaces restent pauvres. Excepté l'activateur tissulaire du plasminogène (tPA) dont le rôle est de désagréger les caillots sanguins et employé comme thérapie efficace contre l'attaque cérébrale aiguë (reperfusion par thrombolyse) mais limité à un faible pourcentage de patients, il n'y a actuellement aucun autre traitement médical approuvé. Le besoin de nouvelles stratégies thérapeutiques est par conséquent impératif. La mort neuronale dans l'ischémie cérébrale est entre autres due à des mécanismes excitotoxiques survenant rapidement après le début de l'attaque cérébrale. Une des principales voies moléculaires impliquée conduisant à la mort excitotoxique des cellules est la voie de la c-Jun NH2terminal kinase (JNK). Plusieurs études ont déjà montré l'efficacité d'un agent neuroprotecteur d'un nouveau type, un peptide dextrogyre synthétisé sous la forme retro inverso (XG-102, précédemment D-JNKI1) résistant aux protéases, capable de pénétrer dans les cellules et de bloquer sélectivement et fortement l'accès de JNK à plusieurs de ses cibles. Une puissante protection a été observée avec ce composé dans plusieurs modèles d'ischémie (Borsello et al. 2003;Hirt et al. 2004). Ce composé chimérique, construit à partir d'une séquence TAT de 10 acides aminés suivie par une séquence de 20 acides aminés d'un domaine liant JNK (JBD) issu de la molécule JNK protéine inhibitrice. (JIP), induit à la fois une réduction importante de la taille de lésion et un comportement fonctionnel amélioré. De plus il présente une fenêtre thérapeutique étendue. XG-102 a prouvé sa puissante efficacité dans un modèle d'occlusion de l'artère cérébrale moyenne chez la souris avec injection intracerebroventriculaire (i.c.v.) mais afin de pouvoir envisager le développement de ce composé pour l'attaque cérébrale chez l'homme, il était donc nécessaire de déterminer la faisabilité de son administration systémique. Les études faisant l'objet de cette thèse ont permis de montrer une neuroprotection importante avec XG-102 administré de façon systémique après l'occlusion transitoire de l'artère cérébrale moyenne chez la souris (MCAo). De plus nos données ont fourni des informations quant à la faisabilité de combiner XG-102 et tPA, démontrant une protection efficace par XG-102 malgré l'action nuisible du tPA sur la survie des cellules. En combinant les bénéfices de la reperfusion avec les effets d'un composé neurooprotecteur, cela représenterait l'avantage d'apporter des meilleures chances de protéger le tissu cérébral.

The JNK binding domain of islet-brain 1 inhibits IL-1 induced JNK activity and apoptosis but not the transcription of key proapoptotic or protective genes in insulin-secreting cell lines.

The stress-activated protein kinase c-Jun NH2-terminal kinase (JNK) is a central signal for interleukin-1beta (IL-1beta)-induced apoptosis in insulin-producing beta-cells. The cell-permeable peptide inhibitor of JNK (JNKI1), that introduces the JNK binding domain (JBD) of the scaffold protein islet-brain 1 (IB1) inside cells, effectively prevents beta-cell death caused by this cytokine. To define the molecular targets of JNK involved in cytokine-induced beta-cell apoptosis we investigated whether JNKI1 or stable expression of JBD affected the expression of selected pro- and anti-apoptotic genes induced in rat (RIN-5AH-T2B) and mouse (betaTC3) insulinoma cells exposed to IL-1beta. Inhibition of JNK significantly reduced phosphorylation of the specific JNK substrate c-Jun (p<0.05), IL-1beta-induced apoptosis (p<0.001), and IL-1beta-mediated c-fos gene expression. However, neither JNKI1 nor JBD did influence IL-1beta-induced NO synthesis or iNOS expression or the transcription of the genes encoding mitochondrial manganese superoxide dismutase (MnSOD), catalase (CAT), glutathione peroxidase (GPx), glutathione-S-transferase rho (GSTrho), heat shock protein (HSP) 70, IL-1beta-converting enzyme (ICE), caspase-3, apoptosis-inducing factor (AIF), Bcl-2 or Bcl-xL. We suggest that the anti-apoptotic effect of JNK inhibition by JBD is independent of the transcription of major pro- and anti-apoptotic genes, but may be exerted at the translational or posttranslational level.

Specific inhibition of the JNK pathway promotes locomotor recovery and neuroprotection after mouse spinal cord injury.

Limiting the development of secondary damage represents one of the major goals of neuroprotective therapies after spinal cord injury. Here, we demonstrate that specific JNK inhibition via a single intraperitoneal injection of the cell permeable peptide D-JNKI1 6h after lesion improves locomotor recovery assessed by both the footprint and the BMS tests up to 4 months post-injury in mice. JNK inhibition prevents c-jun phosphorylation and caspase-3 cleavage, has neuroprotective effects and results in an increased sparing of white matter at the lesion site. Lastly, D-JNKI1 treated animals show a lower increase of erythrocyte extravasation and blood brain barrier permeability, thus indicating protection of the vascular system. In total, these results clearly point out JNK inhibition as a promising neuroprotective strategy for preventing the evolution of secondary damage after spinal cord injury.

The transcriptional repressor REST determines the cell-specific expression of the human MAPK8IP1 gene encoding IB1 (JIP-1).

Islet-brain 1 (IB1) is the human and rat homologue of JIP-1, a scaffold protein interacting with the c-Jun amino-terminal kinase (JNK). IB1 expression is mostly restricted to the endocrine pancreas and to the central nervous system. Herein, we explored the transcriptional mechanism responsible for this preferential islet and neuronal expression of IB1. A 731-bp fragment of the 5' regulatory region of the human MAPK8IP1 gene was isolated from a human BAC library and cloned upstream of a luciferase reporter gene. This construct drove high transcriptional activity in both insulin-secreting and neuron-like cells but not in unrelated cell lines. Sequence analysis of this promoter region revealed the presence of a neuron-restrictive silencer element (NRSE) known to bind repressor zinc finger protein REST. This factor is not expressed in insulin-secreting and neuron-like cells. By mobility shift assay, we confirmed that REST binds to the NRSE present in the IB1 promoter. Once transiently transfected in beta-cell lines, the expression vector encoding REST repressed IB1 transcriptional activity. The introduction of a mutated NRSE in the 5' regulating region of the IB1 gene abolished the repression activity driven by REST in insulin-secreting beta cells and relieved the low transcriptional activity of IB1 observed in unrelated cells. Moreover, transfection in non-beta and nonneuronal cell lines of an expression vector encoding REST lacking its transcriptional repression domain relieved IB1 promoter activity. Last, the REST-mediated repression of IB1 could be abolished by trichostatin A, indicating that deacetylase activity is required to allow REST repression. Taken together, these data establish a critical role for REST in the control of the tissue-specific expression of the human IB1 gene.

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.

Evidence for tuning adipocytes ICER levels for obesity care.

Abnormal adipokine production, along with defective uptake and metabolism of glucose within adipocytes, contributes to insulin resistance and altered glucose homeostasis. Recent research has highlighted one of the mechanisms that accounts for impaired production of adiponectin (ADIPOQ) and adipocyte glucose uptake in obesity. In adipocytes of human obese subjects and mice fed with a high fat diet, the level of the inducible cAMP early repressor (ICER) is diminished. Reduction of ICER elevates the cAMP response element binding protein (CREB) activity, which in turn increases the repressor activating transcription factor 3. In fine, the cascade triggers reduction in the ADIPOQ and GLUT4 levels, which ultimately hampers insulin-mediated glucose uptake. The c-Jun N-terminal kinase (JNK) interacting-protein 1, also called islet brain 1 (IB1), is a target of CREB/ICER that promotes JNK-mediated insulin resistance in adipocytes. A rise in IB1 and c-Jun levels accompanies the drop of ICER in white adipose tissues of obese mice when compared with mice fed with a chow diet. Other than the expression of ADIPOQ and glucose transport, decline in ICER expression might impact insulin signaling. Impairment of ICER is a critical issue that will need major consideration in future therapeutic purposes.

The scaffold protein IB1/JIP-1 controls the activation of JNK in rat stressed urothelium.

The c-Jun N-terminal kinase (JNK) is critical for cell survival, differentiation, apoptosis and tumorigenesis. This signalling pathway requires the presence of the scaffold protein Islet-Brain1/c-Jun N-terminal kinase interacting protein-1 (IB1/JIP-1). Immunolabeling and in situ hybridisation of bladder sections showed that IB1/JIP-1 is expressed in urothelial cells. The functional role of IB1/JIP-1 in the urothelium was therefore studied in vivo in a model of complete rat bladder outlet obstruction. This parietal stress, which is due to urine retention, reduced the content of IB1/JIP-1 in urothelial cells and consequently induced a drastic increase in JNK activity and AP-1 binding activity. Using a viral gene transfer approach, the stress-induced activation of JNK was prevented by overexpressing IB1/JIP-1. Conversely, the JNK activity was increased in urothelial cells where the IB1/JIP-1 content was experimentally reduced using an antisense RNA strategy. Furthermore, JNK activation was found to be increased in non-stressed urothelial cells of heterozygous mice carrying a selective disruption of the IB1/JIP-1 gene. These data established that mechanical stress in urothelial cells in vivo induces a robust JNK activation as a consequence of regulated expression of the scaffold protein IB1/JIP-1. This result highlights a critical role for that scaffold protein in the homeostasis of the urothelium and unravels a new potential target to regulate the JNK pathway in this tissue.

MyD88, an adapter protein involved in interleukin-1 signaling.

MyD88 has a modular organization, an N-terminal death domain (DD) related to the cytoplasmic signaling domains found in many members of the tumor necrosis factor receptor (TNF-R) superfamily, and a C-terminal Toll domain similar to that found in the expanding family of Toll/interleukin-1-like receptors (IL-1R). This dual domain structure, together with the following observations, supports a role for MyD88 as an adapter in IL-1 signal transduction; MyD88 forms homodimers in vivo through DD-DD and Toll-Toll interactions. Overexpression of MyD88 induces activation of the c-Jun N-terminal kinase (JNK) and the transcription factor NF-kappaB through its DD. A point mutation in MyD88, MyD88-lpr (F56N), which prevents dimerization of the DD, also blocks induction of these activities. MyD88-induced NF-kappaB activation is inhibited by the dominant negative versions of TRAF6 and IRAK, which also inhibit IL-1-induced NF-kappaB activation. Overexpression of MyD88-lpr or MyD88-Toll (expressing only the Toll domain) acted to inhibit IL-1-induced NF-kappaB and JNK activation in a 293 cell line overexpressing the IL-1RI. MyD88 coimmunoprecipitates with the IL-1R signaling complex in an IL-1-dependent manner.

LDLs induce fibroblast spreading independently of the LDL receptor via activation of the p38 MAPK pathway.

Because adventitial fibroblasts play an important role in the repair of blood vessels, we assessed whether elevation in LDL concentrations would affect fibroblast function and whether this depended on activation of intracellular signaling pathways. We show here that in primary human fibroblasts, LDLs induced transient activation of the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway, but not the c-Jun N-terminal kinase MAPK pathway. This activation did not require the recruitment of the LDL receptor (LDLR), because LDLs efficiently stimulated the p38 MAPK pathway in human and mouse fibroblasts lacking functional LDLR, and because receptor-associated protein, an LDLR family antagonist, did not block the LDL-induced p38 activation. LDL particles also induced lamellipodia formation and cell spreading. These effects were blocked by SB203580, a specific p38 inhibitor. Our data demonstrate that LDLs can regulate the shape of fibroblasts in a p38 MAPK-dependent manner, a mechanism that may participate in wound healing or vessel remodeling as in atherosclerosis.

The death domain-containing protein Unc5CL is a novel MyD88-independent activator of the pro-inflammatory IRAK signaling cascade.

The family of death domain (DD)-containing proteins are involved in many cellular processes, including apoptosis, inflammation and development. One of these molecules, the adapter protein MyD88, is a key factor in innate and adaptive immunity that integrates signals from the Toll-like receptor/interleukin (IL)-1 receptor (TLR/IL-1R) superfamily by providing an activation platform for IL-1R-associated kinases (IRAKs). Here we show that the DD-containing protein Unc5CL (also known as ZUD) is involved in a novel MyD88-independent mode of IRAK signaling that culminates in the activation of the transcription factor nuclear factor kappa B (NF-κB) and c-Jun N-terminal kinase. Unc5CL required IRAK1, IRAK4 and TNF receptor-associated factor 6 but not MyD88 for its ability to activate these pathways. Interestingly, the protein is constitutively autoproteolytically processed, and is anchored by its N-terminus specifically to the apical face of mucosal epithelial cells. Transcriptional profiling identified mainly chemokines, including IL-8, CXCL1 and CCL20 as Unc5CL target genes. Its prominent expression in mucosal tissues, as well as its ability to induce a pro-inflammatory program in cells, suggests that Unc5CL is a factor in epithelial inflammation and immunity as well as a candidate gene involved in mucosal diseases such as inflammatory bowel disease.