Protein-ligand binding free energy estimation using molecular mechanics and continuum electrostatics. Application to HIV-1 protease inhibitors.

A method is proposed for the estimation of absolute binding free energy of interaction between proteins and ligands. Conformational sampling of the protein-ligand complex is performed by molecular dynamics (MD) in vacuo and the solvent effect is calculated a posteriori by solving the Poisson or the Poisson-Boltzmann equation for selected frames of the trajectory. The binding free energy is written as a linear combination of the buried surface upon complexation, SASbur, the electrostatic interaction energy between the ligand and the protein, Eelec, and the difference of the solvation free energies of the complex and the isolated ligand and protein, deltaGsolv. The method uses the buried surface upon complexation to account for the non-polar contribution to the binding free energy because it is less sensitive to the details of the structure than the van der Waals interaction energy. The parameters of the method are developed for a training set of 16 HIV-1 protease-inhibitor complexes of known 3D structure. A correlation coefficient of 0.91 was obtained with an unsigned mean error of 0.8 kcal/mol. When applied to a set of 25 HIV-1 protease-inhibitor complexes of unknown 3D structures, the method provides a satisfactory correlation between the calculated binding free energy and the experimental pIC5o without reparametrization.

Molecular identification and characterization of the Arabidopsis delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-coenzyme A isomerase, a peroxisomal enzyme participating in the beta-oxidation cycle of unsaturated fatty acids.

Degradation of unsaturated fatty acids through the peroxisomal beta-oxidation pathway requires the participation of auxiliary enzymes in addition to the enzymes of the core beta-oxidation cycle. The auxiliary enzyme delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-coenzyme A (CoA) isomerase has been well studied in yeast (Saccharomyces cerevisiae) and mammals, but no plant homolog had been identified and characterized at the biochemical or molecular level. A candidate gene (At5g43280) was identified in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) encoding a protein showing homology to the rat (Rattus norvegicus) delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase, and possessing an enoyl-CoA hydratase/isomerase fingerprint as well as aspartic and glutamic residues shown to be important for catalytic activity of the mammalian enzyme. The protein, named AtDCI1, contains a peroxisome targeting sequence at the C terminus, and fusion of a fluorescent protein to AtDCI1 directed the chimeric protein to the peroxisome in onion (Allium cepa) cells. AtDCI1 expressed in Escherichia coli was shown to have delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase activity in vitro. Furthermore, using the synthesis of polyhydroxyalkanoate in yeast peroxisomes as an analytical tool to study the beta-oxidation cycle, expression of AtDCI1 was shown to complement the yeast mutant deficient in the delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase, thus showing that AtDCI1 is also appropriately targeted to the peroxisome in yeast and has delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase activity in vivo. The AtDCI1 gene is expressed constitutively in several tissues, but expression is particularly induced during seed germination. Proteins showing high homology with AtDCI1 are found in gymnosperms as well as angiosperms belonging to the Monocotyledon or Dicotyledon classes.

Persistent infection of arenaviruses : molecular mechanisms and pathogenesis

Arenaviruses are enveloped negative single strand RNA viruses that include a number of important human pathogens. The most prevalent human pathogen among the arenaviruses is the Old World arenavirus Lassa virus (LASV) which is endemic in West Africa from Senegal to Cameroon. LASV is the etiologic agent of a severe viral hemorrhagic fever named Lassa fever whose mortality rate can reach 30% in hospitalized patients. One of the hallmarks of fatal arenavirus infection in humans is the absence of an effective innate and adaptive immune response. In nature, arenaviruses are carried by rodents which represent the natural reservoirs as well as the vectors for transmission. In their natural rodent reservoir, arenaviruses have the ability to establish persistent infection without any overt signs and symptoms of pathology. We believe that the modulation of the host cell's innate immunity by arenaviruses is a key determinant for persistence in the natural host and for the pathogenesis in man. In this thesis, we studied the interaction of arenaviruses with two main branches of the host's innate anti-viral defense, the type I interferon (IFN) system and virus-induced mitochondrial apoptosis. The arenavirus nucleoprotein (NP) is responsible for the anti-IFN activity of arenaviruses. Specifically, NP blocks the activation and the nuclear translocation of the transcription factor interferon regulatory factor 3 (IRF3) which leads to type I IFN production. LASV and the prototypic arenavirus lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) NPs contain a 3'-5'exoribonuclease domain in the C terminal part that has been linked to the anti-IFN activity of NP. In the first project, we sought to identify cellular component(s) of the type I IFN induction pathway targeted by the viral NP. Our study revealed that LCMV NP prevents the activation of IRF3 by blocking phosphorylation of the transcription factor. We found that LCMV NP specifically targets the IRF-activating kinase IKKs, and this specific binding is conserved within the Arenaviridae. We could also demonstrate that LCMV NP associates with the kinase domain of IKKs involving NP's C-terminal region. Lastly, we showed that the binding of LCMV NP inhibits the kinase activity of IKKs. This study allowed the discovery of a new cellular interacting partner of arenavirus NP. This newly described association may play a role in the anti-IFN activity of arenaviruses but potentially also in other aspects of arenavirus infection. For the second project, we investigated the ability of arenaviruses to avoid and/or suppress mitochondrial apoptosis. As persistent viruses, arenaviruses evolved a "hit and stay" survival strategy where the apoptosis of the host cell would be deleterious. We found that LCMV does not induce mitochondrial apoptosis at any time during infection. Specifically, no caspase activity, no cytochrome c release from the mitochondria as well as no cleavage of poly (ADP-ribose) polymerase (PARP) were detected during LCMV infection. Interestingly, we found that virus-induced mitochondrial apoptosis remains fully functional in LCMV infected cells, while the induction of type IIFN is blocked. Since both type IIFN production and virus- induced mitochondrial apoptosis critically depend on the pattern recognition receptor (PRR) RIG-I, we examined the role of RIG-I in apoptosis in LCMV infected cells. Notably, virus- induced mitochondrial apoptosis in LCMV infected cells was found to be independent of RIG- I and MDA5, but still depended on MAVS. Our study uncovered a novel mechanism by which arenaviruses alter the host cell's pro-apoptotic signaling pathway. This might represent a strategy arenaviruses developed to maintain this branch of the innate anti-viral defense in absence of type I IFN response. Taken together, these results allow a better understanding of the interaction of arenaviruses with the host cell's innate immunity, contributing to our knowledge about pathogenic properties of these important viruses. A better comprehension of arenavirus virulence may open new avenues for vaccine development and may suggest new antiviral targets for therapeutic intervention against arenavirus infections. - Les arenavirus sont des virus enveloppés à ARN simple brin qui comportent un grand nombre de pathogènes humains. Le pathogène humain le plus important parmi les arenavirus est le virus de Lassa qui est endémique en Afrique de l'Ouest, du Sénégal au Cameroun. Le virus de Lassa est l'agent étiologique d'une fièvre hémorragique sévère appelée fièvre de Lassa, et dont le taux de mortalité peut atteindre 30% chez les patients hospitalisés. L'une des caractéristiques principales des infections fatales à arenavirus chez l'Homme est l'absence de réponse immunitaire innée et adaptative. Dans la nature, les arenavirus sont hébergés par différentes espèces de rongeur, qui représentent à la fois les réservoirs naturels et les vecteurs de transmission des arenavirus. Dans leur hôte naturel, les arenavirus ont la capacité d'établir une infection persistante sans symptôme manifeste d'une quelconque pathologie. Nous pensons que la modulation de système immunitaire inné de la cellule hôte par les arenavirus est un paramètre clé pour la persistance au sein de l'hôte naturel, ainsi que pour la pathogenèse chez l'Homme. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'interaction des arenavirus avec deux branches essentielles de la défense antivirale innée de la cellule hôte, le système interféron (IFN) de type I et l'apoptose. La nucléoprotéine virale (NP) est responsable de l'activité anti-IFN des arenavirus. Plus spécifiquement, la NP bloque 1'activation et la translocation nucléaire du facteur de transcription IRF3 qui conduit à la production des IFNs de type I. La NP du virus de Lassa et celle du virus de la chorioméningite lymphocytaire (LCMV), l'arénavirus prototypique, possèdent dans leur extrémité C-terminale un domaine 3'-5' exoribonucléase qui a été associé à l'activité anti-IFN de ces protéines. Dans un premier projet, nous avons cherché à identifier des composants cellulaires de la cascade de signalisation induisant la production d'IFNs de type I qui pourraient être ciblés par la NP virale. Nos recherches ont révélé que la NP de LCMV empêche 1'activation d'IRF3 en bloquant la phosphorylation du facteur de transcription. Nous avons découvert que la NP de LCMV cible spécifiquement la kinase IKKe, et que cette interaction spécifique est conservée à travers la famille des Arenaviridae. Notre étude a aussi permis de démontrer que la NP de LCMV interagit avec le domaine kinase d'IKKe et que l'extrémité C-terminale de la NP est impliquée. Pour finir, nous avons pu établir que l'association avec la NP de LCMV inhibe l'activité kinase d'IKKe. Cette première étude présente la découverte d'un nouveau facteur cellulaire d'interaction avec la NP des arenavirus. Cette association pourrait jouer un rôle dans l'activité anti-IFN des arénavirus, mais aussi potentiellement dans d'autres aspects des infections à arénavirus. Pour le second projet, nous nous sommes intéressés à la capacité des arénavirus à éviter et/ou supprimer l'apoptose mitochondriale. En tant que virus persistants, les arénavirus ont évolué vers une stratégie de survie "hit and stay" pour laquelle l'apoptose de la cellule hôte serait néfaste. Nous avons observé qu'à aucun moment durant l'infection LCMV n'induit l'apoptose mitochondriale. Spécifiquement, aucune activité de caspase, aucune libération mitochondriale de cytochrome c ainsi qu'aucun clivage de la polymerase poly(ADP-ribose) (PARP) n'a été détecté pendant l'infection à LCMV. Il est intéressant de noter que l'apoptose mitochondriale induite par les virus reste parfaitement fonctionnelle dans les cellules infectées par LCMV, alors que l'induction de la réponse IFN de type I est bloquée dans les mêmes cellules. La production des IFNs de type I et l'apoptose mitochondriale induite par les virus dépendent toutes deux du récepteur de reconnaissance de motifs moléculaires RIG-I. Nous avons, par conséquent, investigué le rôle de RIG-I dans l'apoptose qui a lieu dans les cellules infectées par LCMV lorsqu'on les surinfecte avec un autre virus pro-apoptotique. En particulier, l'apoptose mitochondriale induite par les surinfections s'est révélée indépendante de RIG-I et MDA5, mais dépendante de MAVS dans les cellules précédemment infectées par LCMV. Notre étude démontre ainsi l'existence d'un nouveau mécanisme par lequel les arénavirus altèrent la cascade de signalisation pro-apoptotique de la cellule hôte. Il est possible que les arénavirus aient développé une stratégie permettant de maintenir fonctionnelle cette branche de la défense antivirale innée en l'absence de réponse IFN de type I. En conclusion, ces résultats nous amènent à mieux comprendre l'interaction des arénavirus avec l'immunité innée de la cellule hôte, ce qui contribue aussi à améliorer notre connaissance des propriétés pathogéniques de ces virus. Une meilleure compréhension des facteurs de virulence des arénavirus permet, d'une part, le développement de vaccins et peut, d'autre part, servir de base pour la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques utilisées dans le traitement des infections à arénavirus.

Atomic diversity, molecular diversity, and chemical diversity: the concept of chemodiversity.

This minireview is meant as an introduction to the following paper. To this end, it presents the general background against which the joint paper should be understood. The first objective of the present paper is thus to clarify some concepts and related terminology, drawing a clear distinction between i) atomic diversity (i.e., atomic-property space), ii) molecular or macromolecular diversity (i.e., molecular- or macromolecular-property spaces), and iii) chemical diversity (i.e., chemical-diversity space). The first refers to the various electronic states an atom can occupy. The second encompasses the conformational and property spaces of a given (macro)molecule. The third pertains to the diversity in structure and properties exhibited by a library or a supramolecular assembly of different chemical compounds. The ground is thus laid for the content of the joint paper, which pertains to case ii, to be placed in its broader chemodiversity context. The second objective of this paper is to point to the concepts of chemodiversity and biodiversity as forming a continuum. Chemodiversity is indeed the material substratum of organisms. In other words, chemodiversity is the material condition for life to emerge and exist. Increasing our knowledge of chemodiversity is thus a condition for a better understanding of life as a process.

Molecular crime and cellular punishment: active detoxification of misfolded and aggregated proteins in the cell by the chaperone and protease networks.

Labile or mutation-sensitised proteins may spontaneously convert into aggregation-prone conformations that may be toxic and infectious. This hazardous behavior, which can be described as a form of "molecular criminality", can be actively counteracted in the cell by a network of molecular chaperone and proteases. Similar to law enforcement agents, molecular chaperones and proteases can specifically identify, apprehend, unfold and thus neutralize "criminal" protein conformers, allowing them to subsequently refold into harmless functional proteins. Irreversibly damaged polypeptides that have lost the ability to natively refold are preferentially degraded by highly controlled ATP-consuming proteases. Damaged proteins that escape proteasomal degradation can also be "incarcerated" into dense amyloids, "evicted" from the cell, or internally "exiled" to the lysosome to be hydrolysed and recycled. Thus, remarkable parallels exist between molecular and human forms of criminality, as well as in the cellular and social responses to various forms of crime. Yet, differences also exist: whereas programmed death is the preferred solution chosen by aged and aggregation-stressed cells, collective suicide is seldom chosen by lawless societies. Significantly, there is no cellular equivalent for the role of familial care and of education in general, which is so crucial to the proper shaping of functional persons in the society. Unlike in the cell, humanism introduces a bias against radical solutions such as capital punishment, favouring crime prevention, reeducation and social reinsertion of criminals.

L'agrégation toxique des protéines: une forme de "delinquance moléculaire" activement combattue dans la cellule par les chaperones moléculaires et les protéases [The toxic aggregation of proteins: a kind of "molecular delinquency" actively fought in the cell by molecular chaperones and proteases]

Under various stresses, mutation-sensitised proteins may spontaneously convert into inactive, aggregation-prone structures, which may be cytotoxic and infectious. In the cell, this new kind of "molecular criminality" is actively fought against by a network of molecular chaperones that can specifically identify, isolate and unfold damaged (delinquent) proteins and favour their subsequent native refolding. Irreversibly damaged molecules unable to natively refold are preferentially "executed" and recycled by proteases. Failing that, they are "imprisoned" within compact amyloids, or "evicted" from the cell. Thus, striking parallels, although of questionable ethical value, exist between protein and human criminality, and between the cellular and social responses to these different types of criminality. Fundamental differences also exist. Whereas programmed death (apoptosis) is the preferred solution chosen by aged and aggregation-stressed cells, collective suicide is seldom an option chosen by lawless human societies. More significantly, there is no clear cellular equivalent for the role of the family and the education system, which are so essential to the proper shaping of functional individuals in the society, and give rise to humanism, that favours crime prevention, reeducation and reinsertion programs over capital punishment. To the cardiologist and transplantation surgeon, the interest of molecular chaperones, in particular of Hsp70, Hsp90 and Hsp27, lays in their ability to inhibit the signalling pathway of programmed cell death. Their induction before and during ischemia, by various treatments and drugs could significantly reduce damages from the post ischemic reperfusion of organs.

Regulation of the AKAP-LBC signaling complex : molecular characterization and functional implications

RÉSUMÉ Les protéines d'ancrage de la protéine kinase A (AKAPs) constituent une grande famille de protéines qui ciblent la protéine kinase A (PKA) à proximité de ses substrats physiologiques pour assurer leur régulation. Une nouvelle protéine de cette famille, appelée AKAP-Lbc, a été récemment caractérisée et fonctionne comme un facteur d'échange de nucléotides guanine (GEF) pour la petite GTPase Rho. AKAP-Lbc est régulée par différents signaux qui activent et désactivent son activité Rho-GEF. Son activation est assurée par la sous-unité alpha de la protéine G hétérotrimérique G12, tandis que son inhibition dépend de son interaction avec la PKA et 14-3-3. AKAP-Lbc est principalement exprimée dans le coeur et pourrait réguler des processus importants tels que l'hypertrophie et la différenciation des cardiomyocytes. Ainsi, il est crucial d'élucider les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de son activité Rho-GEF. Le but général de ce travail de thèse est la caractérisation de deux nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation de l'activité de AKAP-Lbc. Le premier mécanisme consiste en la régulation de l'activité de AKAP-Lbc par son homo-oligomérisation. Mes travaux montrent que l'homo-oligomérisation maintient AKAP-Lbc inactive, dans une conformation permettant à la PKA ancrée et à 14-3-3 d'exercer leur effet inhibiteur sur l'activité de AKAP-Lbc. Le second mécanisme concerne la régulation de l'activité de AKAP-Lbc via une nouvelle interaction entre AKAP-Lbc et la protéine LC3. LC3 joue un rôle crucial dans l'autophagie, un processus cellulaire qui adresse les protéines cytoplasmiques au lysosome pour leur dégradation. Ce mécanisme est particulièrement important pour le survie des cardiomyocytes durant les périodes d'absence de nutriments. Mes travaux mettent en évidence que LC3 inhibe l'activité Rho-GEF de AKAP-Lbc, ce qui suggère que, au-delà son rôle bien établi dans l'autophagie, LC3 participerait à la régulation de la signalisation de Rho. Prises ensembles, ces études contribuent à comprendre comment le complexe de signalisation formé par AKAP-Lbc régule la signalisation de Rho dans les cellules. Au-delà de leur intérêt au niveau biochimique, ces travaux pourraient aussi contribuer à élucider les réseaux de signalisation qui régulent des phénomènes physiologiques dans le coeur. ABSTRACT A-kinase anchoring proteins (AKAPs) are a group of functionally related proteins, which target the cAMP dependent protein kinase A (PKA) in close proximity to its physiological substrates for ensuring their regulation. A novel PKA anchoring protein, termed AKAP-Lbc, has been recently characterized, which also functions as a guanine nucleotide exchange factor (GEF) for the small GTPase Rho. AKAP-Lbc is regulated in a bi-directional manner by signals which activate or deactivate its Rho-GEF activity. Activation is mediated by the alpha subunit of the heterotrimeric G protein G12, whereas inhibition occurs following its interaction with PKA and 14-3-3. AKAP-Lbc is predominantly expressed in the heart and might regulate important processes such as hypertrophy and differentiation of cardiomyocytes. Therefore ít is crucial to elucidate the molecular mechanisms involved in the regulation of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. The general aim of the present thesis work is the characterization of two novel molecular mechanisms involved in the regulation of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. The first mechanism consists of the. regulation of AKAP-Lbc activity through its homooligomerization. I report here that homo-oligomerization maintains AKAP-Lbc inactive, under a conformation suitable for ensuring the inhibitory effect of anchored PKA and 14-33 on AKAP-Lbc activity. The second mechanism concerns the regulation of AKAP-Lbc activity through a novel interaction between AKAP-Lbc and ubiquitin-like protein LC3. LC3 is a key mediator of autophagy, which is a cellular process that targets cytosolic proteins to the lysosome for degradation. This process is particularly important for cardiomyocyte survival during conditions of nutrient starvation. Here, I show that LC3 is a negative regulator of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc, which suggests that, beyond its well established role in autophagy, LC3 can participate in the regulation of Rho signaling in cells. Overall, these findings contribute to understand how the AKAP-Lbc signaling complex can regulate the Rho signaling in cells. Beyond its interest at the biochemical level, this work might also contribute to elucidate the signaling network that regulate physiological events in the heart.

Basal cell carcinoma - molecular biology and potential new therapies.

Basal cell carcinoma (BCC) of the skin, the most common malignancy in individuals of mixed European descent, is increasing in incidence due to an aging population and sun exposure habits. The realization that aberrant activation of Hedgehog signaling is a pathognomonic feature of BCC development has opened the way for exciting progress toward understanding BCC biology and translation of this knowledge to the clinic. Genetic mouse models closely mimicking human BCCs have provided answers about the tumor cell of origin, and inhibition of Hedgehog signaling is emerging as a potentially useful targeted therapy for patients with advanced or multiple BCCs that have hitherto lacked effective treatment.

Modeling and mitigation of supply-demand mismatches

In this thesis, I develop analytical models to price the value of supply chain investments under demand uncer¬tainty. This thesis includes three self-contained papers. In the first paper, we investigate the value of lead-time reduction under the risk of sudden and abnormal changes in demand forecasts. We first consider the risk of a complete and permanent loss of demand. We then provide a more general jump-diffusion model, where we add a compound Poisson process to a constant-volatility demand process to explore the impact of sudden changes in demand forecasts on the value of lead-time reduction. We use an Edgeworth series expansion to divide the lead-time cost into that arising from constant instantaneous volatility, and that arising from the risk of jumps. We show that the value of lead-time reduction increases substantially in the intensity and/or the magnitude of jumps. In the second paper, we analyze the value of quantity flexibility in the presence of supply-chain dis- intermediation problems. We use the multiplicative martingale model and the "contracts as reference points" theory to capture both positive and negative effects of quantity flexibility for the downstream level in a supply chain. We show that lead-time reduction reduces both supply-chain disintermediation problems and supply- demand mismatches. We furthermore analyze the impact of the supplier's cost structure on the profitability of quantity-flexibility contracts. When the supplier's initial investment cost is relatively low, supply-chain disin¬termediation risk becomes less important, and hence the contract becomes more profitable for the retailer. We also find that the supply-chain efficiency increases substantially with the supplier's ability to disintermediate the chain when the initial investment cost is relatively high. In the third paper, we investigate the value of dual sourcing for the products with heavy-tailed demand distributions. We apply extreme-value theory and analyze the effects of tail heaviness of demand distribution on the optimal dual-sourcing strategy. We find that the effects of tail heaviness depend on the characteristics of demand and profit parameters. When both the profit margin of the product and the cost differential between the suppliers are relatively high, it is optimal to buffer the mismatch risk by increasing both the inventory level and the responsive capacity as demand uncertainty increases. In that case, however, both the optimal inventory level and the optimal responsive capacity decrease as the tail of demand becomes heavier. When the profit margin of the product is relatively high, and the cost differential between the suppliers is relatively low, it is optimal to buffer the mismatch risk by increasing the responsive capacity and reducing the inventory level as the demand uncertainty increases. In that case, how¬ever, it is optimal to buffer with more inventory and less capacity as the tail of demand becomes heavier. We also show that the optimal responsive capacity is higher for the products with heavier tails when the fill rate is extremely high.

Molecular basis and regulation of insect pathogenicity in plant-beneficial pseudomonads

Les bactéries du genre Pseudomonas ont la capacité étonnante de s'adapter à différents habitats et d'y survivre, ce qui leur a permis de conquérir un large éventail de niches écologiques et d'interagir avec différents organismes hôte. Les espèces du groupe Pseudomonas fluorescens peuvent être facilement isolées de la rhizosphère et sont communément connues comme des Pseudomonas bénéfiques pour les plantes. Elles sont capables d'induire la résistance systémique des plantes, d'induire leur croissance et de contrer des phytopathogènes du sol. Un sous-groupe de ces Pseudomonas a de plus développé la capacité d'infecter et de tuer certaines espèces d'insectes. Approfondir les connaissances sur l'interaction de ces bactéries avec les insectes pourraient conduire au développement de nouveaux biopesticides pour la protection des cultures. Le but de cette thèse est donc de mieux comprendre la base moléculaire, l'évolution et la régulation de la pathogénicité des Pseudomonas plante-bénéfiques envers les insectes. Plus spécifiquement, ce travail a été orienté sur l'étude de la production de la toxine insecticide appelée Fit et sur l'indentification d'autres facteurs de virulence participant à la toxicité de la bactérie envers les insectes. Dans la première partie de ce travail, la régulation de la production de la toxine Fit a été évaluée par microscopie à épifluorescence en utilisant des souches rapportrices de Pseudomonas protegens CHA0 qui expriment la toxine insecticide fusionnée à une protéine fluorescente rouge, au site natif du gène de la toxine. Celle-ci a été détectée uniquement dans l'hémolymphe des insectes et pas sur les racines des plantes, ni dans les milieux de laboratoire standards, indiquant une production dépendante de l'hôte. L'activation de la production de la toxine est contrôlée par trois protéines régulatrices dont l'histidine kinase FitF, essentielle pour un contrôle précis de l'expression et possédant un domaine "senseur" similaire à celui de la kinase DctB qui régule l'absorption de carbone chez les Protéobactéries. Il est donc probable que, durant l'évolution de FitF, un réarrangement de ce domaine "senseur" largement répandu ait contribué à une production hôte-spécifique de la toxine. Les résultats de cette étude suggèrent aussi que l'expression de la toxine Fit est plutôt réprimée en présence de composés dérivés des plantes qu'induite par la perception d'un signal d'insecte spécifique. Dans la deuxième partie de ce travail, des souches mutantes ciblant des facteurs de virulence importants identifiés dans des pathogènes connus ont été générées, dans le but d'identifier ceux avec une virulence envers les insectes atténuée. Les résultats ont suggéré que l'antigène O du lipopolysaccharide (LPS) et le système régulateur à deux composantes PhoP/PhoQ contribuent significativement à la virulence de P. protegens CHA0. La base génétique de la biosynthèse de l'antigène O dans les Pseudomonas plante-bénéfiques et avec une activité insecticide a été élucidée et a révélé des différences considérables entre les lignées suite à des pertes de gènes ou des acquisitions de gènes par transfert horizontal durant l'évolution de certaines souches. Les chaînes latérales du LPS ont été montrées comme vitales pour une infection des insectes réussie par la souche CHA0, après ingestion ou injection. Les Pseudomonas plante-bénéfiques, avec une activité insecticide sont naturellement résistants à la polymyxine B, un peptide antimicrobien modèle. La protection contre ce composé antimicrobien particulier dépend de la présence de l'antigène O et de la modification du lipide A, une partie du LPS, avec du 4-aminoarabinose. Comme les peptides antimicrobiens cationiques jouent un rôle important dans le système immunitaire des insectes, l'antigène O pourrait être important chez les Pseudomonas insecticides pour surmonter les mécanismes de défense de l'hôte. Le système PhoP/PhoQ, connu pour contrôler les modifications du lipide A chez plusieurs bactéries pathogènes, a été identifié chez Pseudomonas chlororaphis PCL1391 et P. protegens CHA0. Pour l'instant, il n'y a pas d'évidence que des modifications du lipide A contribuent à la pathogénicité de cette bactérie envers les insectes. Cependant, le senseur-kinase PhoQ est requis pour une virulence optimale de la souche CHA0, ce qui suggère qu'il régule aussi l'expression des facteurs de virulence de cette bactérie. Les découvertes de cette thèse démontrent que certains Pseudomonas associés aux plantes sont de véritables pathogènes d'insectes et donnent quelques indices sur l'évolution de ces microbes pour survivre dans l'insecte-hôte et éventuellement le tuer. Les résultats suggèrent également qu'une recherche plus approfondie est nécessaire pour comprendre comment ces bactéries sont capables de contourner ou surmonter la réponse immunitaire de l'hôte et de briser les barrières physiques pour envahir l'insecte lors d'une infection orale. Pour cela, les futures études ne devraient pas uniquement se concentrer sur le côté bactérien de l'interaction hôte-microbe, mais aussi étudier l'infection du point de vue de l'hôte. Les connaissances gagnées sur la pathogénicité envers les insectes des Pseudomonas plante-bénéfiques donnent un espoir pour une future application en agriculture, pour protéger les plantes, non seulement contre les maladies, mais aussi contre les insectes ravageurs. -- Pseudomonas bacteria have the astonishing ability to survive within and adapt to different habitats, which has allowed them to conquer a wide range of ecological niches and to interact with different host organisms. Species of the Pseudomonas fluorescens group can readily be isolated from plant roots and are commonly known as plant-beneficial pseudomonads. They are capable of promoting plant growth, inducing systemic resistance in the plant host and antagonizing soil-borne phytopathogens. A defined subgroup of these pseudomonads evolved in addition the ability to infect and kill certain insect species. Profound knowledge about the interaction of these particular bacteria with insects could lead to the development of novel biopesticides for crop protection. This thesis thus aimed at a better understanding of the molecular basis, evolution and regulation of insect pathogenicity in plant-beneficial pseudomonads. More specifically, it was outlined to investigate the production of an insecticidal toxin termed Fit and to identify additional factors contributing to the entomopathogenicity of the bacteria. In the first part of this work, the regulation of Fit toxin production was probed by epifluorescence microscopy using reporter strains of Pseudomonas protegens CHAO that express a fusion between the insecticidal toxin and a red fluorescent protein in place of the native toxin gene. The bacterium was found to express its insecticidal toxin only in insect hemolymph but not on plant roots or in common laboratory media. The host-dependent activation of Fit toxin production is controlled by three local regulatory proteins. The histidine kinase of this regulatory system, FitF, is essential for the tight control of toxin expression and shares a sensing domain with DctB, a sensor kinase regulating carbon uptake in Proteobacteria. It is therefore likely that shuffling of a ubiquitous sensor domain during the evolution of FitF contributed to host- specific production of the Fit toxin. Findings of this study additionally suggest that host-specific expression of the Fit toxin is mainly achieved by repression in the presence of plant-derived compounds rather than by induction upon perceiving an insect-specific signal molecule. In the second part of this thesis, mutant strains were generated that lack factors previously shown to be important for virulence in prominent pathogens. A screening for attenuation in insect virulence suggested that lipopolysaccharide (LPS) O-antigen and the PhoP-PhoQ two-component regulatory system significantly contribute to virulence of P. protegens CHAO. The genetic basis of O-antigen biosynthesis in plant-beneficial pseudomonads displaying insect pathogenicity was elucidated and revealed extensive differences between lineages due to reduction and horizontal acquisition of gene clusters during the evolution of several strains. Specific 0 side chains of LPS were found to be vital for strain CHAO to successfully infect insects by ingestion or upon injection. Insecticidal pseudomonads with plant-beneficial properties were observed to be naturally resistant to polymyxin B, a model antimicrobial peptide. Protection against this particular antimicrobial compound was dependent on the presence of O-antigen and modification of the lipid A portion of LPS with 4-aminoarabinose. Since cationic antimicrobial peptides play a major role in the immune system of insects, O-antigenic polysaccharides could be important for insecticidal pseudomonads to overcome host defense mechanisms. The PhoP-PhoQ system, which is well-known to control lipid A modifications in several pathogenic bacteria, was identified in Pseudomonas chlororaphis PCL1391 and P. protegens CHAO. No evidence was found so far that lipid A modifications contribute to insect pathogenicity in this bacterium. However, the sensor kinase PhoQ was required for full virulence of strain CHAO suggesting that it additionally regulates the expression of virulence factors in this bacterium. The findings of this thesis demonstrate that certain plant-associated pseudomonads are true insect pathogens and give some insights into how these microbes evolved to survive within and eventually kill the insect host. Results however also point out that more in-depth research is needed to know how exactly these fascinating bacteria manage to bypass or overcome host immune responses and to breach physical barriers to invade insects upon oral infection. To achieve this, future studies should not only focus on the bacterial side of the microbe-host interactions but also investigate the infection from a host-oriented view. The knowledge gained about the entomopathogenicity of plant-beneficial pseudomonads gives hope for their future application in agriculture to protect plants not only against plant diseases but also against insect pests.

Evaluation of molecular, cellular and behavioral consequences of serotonin 1A receptor deletion

In 1998, three different research groups simultaneously reported increased anxiety-related behavior in tests of conflict in their serotonin 1a (5-HT1a) receptor knockout (KO) line with male mice being more severely affected by 5-HT1a receptor deletion than female KO. Similarly, in the hippocampus, we observed increased dendritic complexity in the stratum radiatum of CA1 pyramidal neurons in male but not in female 5-HT1a receptor KO mice. These observations prompted us to investigate gender- dependent differences of 5-HT1a receptor deletion in hippocampal-related behavioral tasks. Testing our mice in anxiety-related paradigms, we reproduced the original studies showing increased anxiety- related behavior in male 5-HT1a receptor KO mice when compared to male WT mice, but no difference between female 5-HT1a receptor KO and WT mice. Similarly, male 5-HT1a receptor KO mice were impaired in association of aversive stimuli fear conditioning paradigms. We argue that increased dendritic complexity and increased synaptic strength of CA3-CA1 synapses in the stratum radiatum impaired proper signal propagation attributed to overactivation of CA1 pyramidal neurons leading to impaired fear memory of male 5-HT1a receptor KO mice. Similar mechanisms in the ventral hippocampus are likely to have contributed to gender-dependent differences in anxiety-related behavior in our and the original studies from 1998. In this study, we started to shed light on the 5-HT1a receptor downstream signaling pathways involved in dendritogenesis of pyramidal neurons during early postnatal development. We could show that NR2B-containing NMDA receptor during development acts downstream of 5-HT1a receptor and is responsible for increased amount of branching in male 5-HT1a receptor KO mice. Conversely, protein and NR2B mRNA expression was increased in 5-HT1a receptor KO mice at P15. Although the exact signaling cascade of 5-HT1a receptor regulating NR2B-containing NMDA receptor has not been determined, CaMKII is a potential downstream effector to influence transportation and removal of NR2B-containing NMDA receptors to and from the synapse. In contrast, Erk1/2 likely acts downstream of NR2B-containing NMDA receptors and was shown to be sufficient to regulate dendritic branching. Moreover, increased NR2B-containing NMDA receptor mediated cell death via excitotoxicity during development and is likely to be involved in reduced survival of adult born neurons in the hippocampus of 5-HT1a receptor KO male. The convergence of 5-HT1a receptor signaling onto NR2B-containing NMDA receptor signaling enables estrogen to interfere with its downstream pathway via G-protein coupled estrogen receptor 1 activation resulting in normalization of branching and behavior in female 5-HT1a receptor mice. In conclusion, our data strongly suggests a hormone- regulated mechanism that by converging on NR2B-containing NMDA receptor signaling is able to normalize morphology of pyramidal neurons and behavior of female 5-HT1a receptor KO mice. Our findings provide a possible explanation for gender-dependent differences in the occurrence of mental disorders with 5-HT1a receptor abnormalities as a strong predisposing factor. -- En 1998, trois équipes de recherche ont décrit un comportement de type anxieux dans des tests de conflit pour leur souris transgéniques avec une délétion du gène pour le récepteur 5-HT1a de la sérotonine. De plus, les trois groupes rapportent un phénotype plus sévère pour le comportement anxieux chez les souris transgéniques mâles que femelles. Dans l'hippocampe, la région avec la densité de récepteur 5-HT1a la plus élevée dans le télencéphale, nous avons observé dans le stratum radiatum une complexité accrue des arborisations dendritiques des neurones pyramidaux du secteur CA1 chez les souris transgénique mâles mais pas chez les femelles. Cette observation nous a encouragés à initier cette étude sur les différences en fonction du genre utilisant les tests comportementaux en rapport avec les fonctions de l'hippocampe chez les souris déficientes pour le récepteur 5-HT1a.Testant nos souris avec des paradigmes associés à l'anxiété, nous avons reproduit les données originales montrant que les souris transgéniques mâles ont un phénotype plus sévère que les souris mâles sauvages, mais qu'aucune différence n'est observée entre les femelles sauvages et transgéniques. De même, les souris mâles déficientes pour le récepteur 5-HT1a sont handicapées dans les tests de conditionnement au stress avec des stimuli aversifs. Nous faisons l'hypothèse que l'augmentation de la complexité de l'arborisation dendritique et l'augmentation de la force du signal synaptique entres les régions CA3 et CA1 de l'hippocampe dans le stratum radiatum perturbe la propagation du signal nerveux qui conduit à l'hyperactivation des neurones du secteur CA1. Ceci conduit à une mémoire de stress altérée chez les souris mâles déficientes pour le récepteur 5-HT1a. Un mécanisme similaire dans l'hippocampe ventral contribue probablement aux différences en fonction du genre dans les tests pour le comportement de type anxieux qui ont été rapportés dans les études originales de 1998. Les mesures de protéine et de mRNA ont mis en évidence une augmentation de l'expression du récepteur NMDA contenant la sous- unité NR2B dans les souris déficientes pour le récepteur 5-HT1a à P15. Dans les cultures organotypiques d'hippocampe, nous avons commencé à disséquer les messagers secondaires à l'activation du récepteur 5-HT1a qui sont impliqués dans la régulation de la croissance dendritique des neurones pyramidaux pendant la période postnatale précoce. Nous avons démontré que les récepteurs NR2B sont en aval de l'activation du récepteur 5-HT1a et qu'ils sont impliqués dans l'accroissement du nombre de dendrites chez la souris mâle déficiente pour le récepteur 5-HT1a. Bien que la cascade de signalisation du récepteur 5-HT1a pour réguler les récepteurs NMDA contenant le NR2B ne soit pas établie, CaMKII est identifié comme un effecteur potentiel pour altérer le transport du récepteur NMDA à la synapse. D'autre part, Erk1/2 est probablement un messager en aval du NR2B du récepteur NMDA, et a été documenté comme suffisant pour réguler l'arborisation dendritique. L'augmentation de NR2B à la synapse des souris déficientes pour le récepteur 5-HT1a peut conduire à une augmentation de l'excitotoxicité dans les cellules. Nous avons observé une augmentation chez la souris déficiente pour le récepteur 5-HT1a de la mort cellulaire dans des tranches d'hippocampe stimulées, ce qui peut être en relation avec la réduction de la survie des neurones générés dans l'hippocampe de la souris mâle transgénique adulte par rapport à la souris mâle sauvage. De plus, la convergence de la signalisation du récepteur 5-HT1a sur la signalisation de la sous-unité NR2B du récepteur NMDA permet à l'oestrogène d'interférer avec sa voie de signalisation du récepteur de l'oestrogène couplé à une protéine G (GPER-1), ceci permettant à l'oestrogène de réduire la taille de l'arborisation des neurones pyramidaux de CA1 chez la femelle de la souris déficiente pour le récepteur 5-HT1a. En conclusion, nos observations suggèrent fortement qu'un mécanisme hormonal convergeant sur la voie de signalisation de la sous-unité NR2B du récepteur NMDA permet la normalisation de l'exubérance des dendrites des neurones CA1 de l'hippocampe et du comportement des souris femelles déficientes pour le récepteur 5-HT1a. Ceci donne une explication possible pour la différence en fonction du genre dans l'apparition de troubles mentaux avec les variations du récepteur 5-HT1a comme facteur de prédisposition important.