Metabolic effects of fructose in humans

Abstract : Fructose is a simple sugar, whose consumption has increased over the past decades. In rodents, a high-fructose diet (HFrD) induces several features of the metabolic syndrome. The aim of the studies included in this thesis was to investigate the metabolic effects of a HFrD in humans, with a focus on insulin sensitivity and ectopic fat deposition. Moreover, we addressed the question whether these effects may differ between individuals according to gender and the genetic background. The first study was designed to evaluate the impact of a 4-week HFrD on insulin sensitivity and lipid metabolism in 7 healthy men. Insulin sensitivity, intrahepatocellular lipids (IHCL) and intramyocellular lipids (IMCL) contents were measured before and after 1 and 4 weeks of HFrD (1.5 g fructose/kg body weight/day). Insulin sensitivity was assessed by a 2-step hyperinsulinemic euglycemic clamp. IHCL and IMCL were measured by 1H-magnetic resonance spectroscopy (MRS). Fructose caused significant (P<0.05) increases in fasting plasma concentrations of triacylglycerol (TG) (+36%), VLDL-TG (+72%) and glucose (+6%) without any change in body weight, IHCL, IMCL, and insulin sensitivity. In the second study, muscle biopsies were taken from five of these healthy male subjects before and after 4 weeks of HFrD. mRNA concentrations of 18 genes involved in lipid and carbohydrate metabolism were quantified by real-time quantitative PCR. We found that a 4-week HFrD increased the expression of genes involved in lipid synthesis, while it decreased those involved in insulin sensitivity and lipid oxidation; these molecular changes maybe early markers of insulin resistance and altered lipid metabolism. The third study aimed at delineating whether male and females equally respond to a HFrD. For this purpose, higher doses of fructose (twice the dose of the previous study) were provided to 8 healthy young males and 8 healthy young females over 6 days. HFrD significantly increased fasting TG in males (+71 %), whereas this increase was markedly blunted in females (+16%). Males also developed hepatic insulin resistance, characterized by increased hepatic glucose output (+12%), and showed higher alanine aminotransferase concentration (+38%), but none of these effect was observed in females. This study suggests that short-term HFrD leads to hypertriglyceridemia and hepatic insulin resistance in men, but premenopausal women seem protected against these effects. Finally, the fourth study investigated whether healthy offspring of type 2 diabetic patients (OffT2D), a subgroup of individuals prone to metabolic disorders due to their genetic background, may have exacerbated response to HFrD. Eight healthy males (Ctrl) and 16 OffT2D received a HFrD and isocaloric diet in a randomized order. In both groups, HFrD significantly increased IHCL (Ctrl: +76%; OffT2D: +79%) and fasting plasma VLDL-TG (Ctrl: +51 %; OffT2D: +110%). In absolute values, these increments were significantly higher in OffT2D, suggesting that these individuals may be more prone to developing metabolic disorders when challenged by high fructose intake. In order to better delineate the specific effects of fructose vs the hypercaloric energy content, we repeated the complete metabolic investigations after an isocaloric high glucose diet in four of the eight Ctrl volunteers. After a high glucose diet, TG and IHCL concentrations remained similar to the control values, in contrast to the marked increases observed after the HFrD. In conclusion, the studies included in this thesis provided novel insights into the metabolic effects of fructose in humans. They showed that fructose may rapidly increase fasting VLDL-TG, IHCL and lead to hepatic insulin resistance; these effects seem specific to fructose, and potential mechanisms may involve both stimulation of hepatic de novo lipogenesis and decreased lipid oxidation. Moreover, the results suggest that women seem protected against such deleterious effects, while OffT2D displayed exacerbated response. Résumé : Le fructose est un sucre simple, dont la consommation a augmenté durant les dernières décennies. Dans les modèles animaux, un régime riche en fructose (RRFru) peut induire plusieurs composantes du syndrome métabolique. Le but de cette thèse était d'étudier les effets d'un régime riche en fructose sur la sensibilité à l'insuline et la déposition de lipides ectopiques chez l'humain, et si ces effets variaient selon le genre ou le background génétique. La première étude avait pour but d'évaluer l'effet d'un RRFru d'une durée de 4 semaines sur la sensibilité à l'insuline et le métabolisme des lipides chez des hommes sains. La sensibilité à l'insuline, les lipides intrahépatiques (IHCL) et intramusculaires (IMCL) ont été mesurés avant, et après 1 et 4 semaines du RRFru (1.5 g fructose/kg/jour). La sensibilité à l'insuline a été déterminée par un clamp hyperinsulinémique euglycémique, et les IHCL/IMCL par spectroscopie à résonnance magnétique. Le fructose a augmenté les concentrations plasmatiques à jeun des VLDL- triglycérides (TG) (+72%) et de glucose (+6%), sans induire de changement au niveau de la sensibilité à l'insuline, IHCL ou IMCL. Dans la deuxième étude, des biopsies de muscle squelettique ont été prélevées chez cinq de ces volontaires avant et après les 4 semaines de RRFru. Les concentrations de mRNA de 18 gènes impliqués dans le métabolisme des lipides et des hydrates de carbone ont été mesurées par RT-PCR quantitative. Le RRFru a augmenté l'expression de gènes impliqués dans la synthèse de lipides, et diminué celles de gènes impliqués dans la sensibilité à l'insuline et l'oxydation de lipides. Ces changements pourraient constituer des altérations précoces de la sensibilité à l'insuline et du métabolisme lipidique en réponse au fructose. La troisième étude avait pour but de définir si les réponses au RRFru étaient semblables entre les hommes et les femmes. Pour ceci, des doses plus élevées de fructose ont été administrées à 8 jeunes hommes et 8 jeunes femmes durant 6 jours. Le RRFru a augmenté les TG chez les hommes (+71 %), et de manière nettement plus modeste chez les femmes (+16%). Les hommes ont développé une résistance hépatique à l'insuline, ainsi qu'une augmentation des concentrations d'alanine aminotransférase (+38%), mais aucun de ces effets n'a été observé chez les femmes. Cette étude suggère qu'à court terme, un RRFru mène à une hypertriglycéridémie et résistance hépatique à l'insuline chez l'homme, tandis que les femmes semblent en être protégées. Finalement, la 4ème étude a investigué si des personnes apparentées à des patients diabétiques de type 2 (AppDT2), qui constituent un groupe d'individus à risque de développer des maladies métaboliques en raison de leur background génétique, avaient des réponses plus marquées au RRFru. Huit hommes sains (Ctrl) et 16 AppDT2 on reçu dans un ordre randomisé un RRFru et une diète isocalorique durant 6 jours. Dans les deux groupes, le RRFru a augmenté significativement les IHCL (Ctrl: +76%; AppDT2: +79%) et les VLDL-TG plasmatiques à jeun (Ctrl: +51%; AppDT2: +110%). En valeurs absolues, ces deux augmentations étaient plus importantes dans le groupe des AppDT2, suggérant que ces individus sont plus à risque de développer des problèmes métaboliques suite à un apport de fructose. Afin de définir les effets spécifiques du fructose, quatre des huit sujets Ctrl ont été soumis à un régime riche en glucose. Après le régime riche en glucose, les concentrations de TG et d'IHCL étaient semblables aux valeurs obtenues après une diète isocalorique, contrairement aux nombreux effets observés après le RRFru. En conclusion, ces différentes études ont démontré que chez l'humain, le fructose peut rapidement induire une augmentation des VLDL-TG à jeun, des IHCL et une résistance hépatique à l'insuline ; ces effets semblent être spécifiques au fructose. De plus, les différents résultats obtenus montrent que les femmes développent des effets moindres en réponse au fructose, contrairement aux AppDT2, chez qui les effets du fructose semblent plus marqués. Résumé grand public : Le fructose est un sucre simple, présent naturellement et en faibles quantités dans les fruits, mais également constituant du sucrose - appelé aussi sucre de table. Depuis les années 1970, la consommation de fructose a augmenté dans les pays industrialisés et émergents, principalement par le biais d'une hausse de consommation de boissons sucrées de type soda. Dans des modèles animaux tels que les rongeurs, un régime riche en fructose mène au développement de plusieurs facteurs de risques étroitement liés aux maladies cardiovasculaires, à l'obésité et au diabète de type 2; ceux-ci sont caractérisés par une augmentation des concentrations de glucose et de lipides sanguins, ainsi qu'une accumulation de lipides dits « ectopiques », à savoir dans le foie et les muscles. Le but de cette thèse était de définir les effets d'un régime riche en fructose chez l'être humain. De plus, nous nous sommes intéressés à savoir si ces effets étaient semblables entre différents groupes d'individus, à savoir des personnes de sexe masculin / féminin, ou des personnes dont au moins un des parents est diabétique de type 2. Pour ceci, différents groupes de volontaires (hommes, femmes, avec histoire familiale de diabète de type 2) âgés de 18-30 ans se sont soumis à une alimentation enrichie en fructose, d'une durée allant de 6 à 28 jours, suivant l'étude à laquelle ils participaient. La quantité de fructose consommée en plus de l'alimentation normale durant ces périodes équivalait au contenu en fructose de 2-4 litres de boissons sucrées par jour. Des prises de sang ont été effectuées au terme de chacun de ces différents régimes, ainsi que des mesures de sensibilité à l'insuline et de concentrations de lipides dans le foie et le muscle par résonnance magnétique nucléaire, en collaboration avec l'Hôpital de l'Ile de Berne. Les résultats montrent qu'après 6 jours de régime riche en fructose, les volontaires sains de sexe masculin ont presque doublé leurs concentrations de lipides sanguins et hépatiques. De plus, le foie de ces volontaires réagissait moins bien à l'insuline, ce qui pourrait mener à long terme à des maladies métaboliques comme le diabète de type 2. Un des mécanismes postulés est que le fructose pourrait stimuler la formation de lipides dans le foie, contribuant ainsi à un dysfonctionnement de cet organe. De manière surprenante, des femmes d'âge et d'IMC (Indice de Masse Corporelle) comparables aux hommes étudiés n'ont pas développé ces différents effets en réponse au régime riche en fructose. Il semblerait donc qu'elles possèdent certaines propriétés pouvant les «protéger », du moins à court terme, des problèmes métaboliques induits par le fructose. De tels mécanismes sont pour l'heure inconnus, mais il est possible que des différences hormonales, ou de répartition de la masse graisseuse dans le corps, puissent jouer un rôle. Enfin, nous avons également démontré que chez certaines personnes ayant au moins un parent (père ou mère) diabétique de type 2, les augmentations de lipides sanguins et hépatiques induits par le fructose étaient plus marquées que chez des volontaires sans parents diabétiques. Ceci est néanmoins à tempérer par le fait que nous avons observé une grande hétérogénéité des réponses parmi ces individus, découlant certainement d'interactions complexes entre différents facteurs tels que la génétique, le mode de vie, l'alimentation et l'activité physique. Ces différents résultats donnent lieu à une meilleure compréhension du rôle de facteurs alimentaires dans le développement de problèmes métaboliques tels que le diabète de type 2. Ils vont également permettre de tester différentes approches thérapeutiques. Bien qu'ayant été obtenus avec des doses de fructose importantes, ces études soulignent l'effet potentiellement dangereux pour la santé d'une alimentation riche en sucres.

New genetic models and mesenchymal cells as tools to ameliorate anti-tumor immunity

Résumé Le but final de ce projet est d'utiliser des cellules T ou des cellules souches mésenchymateuses modifiées génétiquement afin de surexprimer localement les deux chémokines CXCL13 et CCL2 ensemble ou chacune séparément à l'intérieur d'une tumeur solide. CXCL13 est supposé induire des structures lymphoïdes ectopiques. Un niveau élevé de CCL2 est présumé initier une inflammation aiguë. La combinaison des deux effets amène à un nouveau modèle d'étude des mécanismes régulateur de la tolérance périphérique et de l'immunité tumorale. Les connaissances acquises grâce à ce modèle pourraient permettre le développement ou l'amélioration des thérapies immunes du cancer. Le but premier de ce travail a été l'établissement d'un modèle génétique de la souris permettant d'exprimer spécifiquement dans la tumeur les deux chémokines d'intérêt à des niveaux élevés. Pour accomplir cette tâche, qui est en fait une thérapie génétique de tumeurs solides, deux types de cellules porteuses potentielles ont été évaluées. Des cellules CD8+ T et des cellules mésenchymateuses de la moelle osseuse transférées dans des receveurs portant une tumeur. Si on pouvait répondre aux besoins de la thérapie génétique, indépendamment de la thérapie immune envisagée, on posséderait là un outil précieux pour bien d'autres approches thérapeutiques. Plusieurs lignées de souris transgéniques ont été générées comme source de cellules CD8+ T modifiées afin d'exprimer les chémokines d'intérêt. Dans une approche doublement transgénique les propriétés de deux promoteurs spécifiques de cellules T ont été combinées en utilisant la technologie Cre-loxP. Le promoteur de granzyme B confère une dépendance d'activation et le promoteur distal de lck assure une forte expression constitutive dès que les cellules CD8+ T ont été activées. Les transgènes construits ont montré une bonne performance in vivo et des souris qui expriment CCL2 dans des cellules CD8+ T activées ont été obtenues. Ces cellules peuvent maintenant être utilisées avec différents protocoles pour transférer des cellules T cytotoxiques (CTL) dans des receveurs porteur d'une tumeur, permettant ainsi d'évaluer leur capacité en tant que porteuse de chémokine d'infiltrer la tumeur. L'établissement de souris transgéniques, qui expriment pareillement CXCL13 est prévu dans un avenir proche. L'évaluation de cellules mésenchymateuses de la moelle osseuse a démontré que ces cellules se greffent efficacement dans le stroma tumoral suite à la co-injection avec des cellules tumorales. Cela représente un outil précieux pour la recherche, vu qu'il permet d'introduire des cellules manipulées dans un modèle tumoral. Les résultats confirment partiellement d'autres résultats rapportés dans un modèle amélioré. Cependant, l'efficacité et la spécificité suggérées de la migration systémique de cellules mésenchymateuses de la moelle osseuse dans une tumeur n'ont pas été observées dans notre modèle, ce qui indique, que ces cellules ne se prêtent pas à une utilisation thérapeutique. Un autre résultat majeur de ce travail est l'établissement de cultures de cellules mésenchymateuses de la moelle osseuse in vitro conditionnées par des tumeurs, ce qui a permis à ces cellules de s'étendre plus rapidement en gardant leur capacité de migration et de greffe. Cela offre un autre outil précieux, vu que la culture in vitro est un pas nécessaire pour une manipulation thérapeutique. Abstract The ultimate aim of the presented project is to use genetically modified T cells or mesenchymal stem cells to locally overexpress the two chemokines CXCL13 and CCL2 together or each one alone inside a solid tumor. CXCL13 is supposed to induce ectopic lymphoid structures and a high level of CCL2 is intended to trigger acute inflamation. The combination of these two effects represents a new model for studying mechanisms that regulate peripheral tolerance and tumor immunity. Gained insights may help developing or improving immunotherapy of cancer. The primary goal of the executed work was the establishment of a genetic mouse model that allows tumor-specific expression of high levels of the two chemokines of interest. For accomplishing this task, which represents gene therapy of solid tumors, two types of potentially useful carrier cells were evaluated. CD8+ T cells and mesenchymal bone marrow cells to be used in adoptive cell transfers into tumor-bearing mice. Irrespectively of the envisaged immunotherapy, satisfaction of so far unmet needs of gene therapy would be a highly valuable tool that may be employed by many other therapeutic approaches, too. Several transgenic mouse lines were generated as a source of CD8+ T cells modified to express the chemokines of interest. In a double transgenic approach the properties of two T cell-specific promoters were combined using Cre-loxP technology. The granzyme B promoter confers activation-dependency and the lck distal promoter assures strong constitutive expression once the CD8+ T cell has been activated. The constructed transgenes showed a good performance in vivo and mice expressing CCL2 in activated CD8+ T cells were obtained. These cells can now be used with different protocols for adoptively transferring cytotoxic T cells (CTL) into tumor-bearing recipients, thus allowing to study their capacity as tumor-infiltrating chemokine carrier. The establishment of transgenic mice likewisely expressing CXCL13 is expected in the near future. In addition, T cells from generated single transgenic mice that have high expression of an EGFP reporter in both CD4+ and CD8+ cells can be easily traced in vivo when setting up adoptive transfer conditions. The evaluation of mesenchymal bone marrow cells demonstrated that these cells can efficiently engraft into tumor stroma upon local coinjection with tumor cells. This represents a valuable tool for research purposes as it allows to introduce manipulated stromal cells into a tumor model. Therefore, the established engraftment model is suited for studying the envisaged immunotherapy. These results confirm to some extend previously reported results in an improved model, however, the suggested systemic tumor homing efficiency and specificity of mesenchymal bone marrow cells was not observed in our model indicating that these cells may not be suited for therapeutic use. Another major result of the presented work is the establishment oftumor-conditioned in vitro culture of mesenchymal bone marrow cells, which allowed to more rapidly expand these cells while maintaining their tumor homing and engrafting capacities. This offers another valuable tool as in vitro culture is a necessary step for therapeutic manipulations.

Role of ALK gene and mutations in initiation and progression of neuroblastoma

Introduction Le neuroblastome (NB) est la tumeur maligne solide extra-crânienne la plus fréquente chez l'enfant. Sa présentation clinique est très hétérogène, allant d'une tumeur localisée à une atteinte métastatique sévère. Malgré des traitements agressifs, environ 55% des NB de hauts risques sont actuellement résistants aux thérapies. L'espoir réside dans le développement de traitements ciblant les mécanismes moléculaires responsables du développement et de la progression du NB. Le gène Anaplastic Lymphoma Kinase (ALK) codant pour un récepteur tyrosine kinase a été particulièrement étudié ces dernières années car il est muté, amplifié ou surexprimé dans une majorité des NBs. Le but de ce projet était d'investiguer le rôle de ALK-wt, ainsi que de ces deux plus fréquentes mutations, ALK- F1174L et ALK-R1245Q, dans l'oncogenèse du NB. Le NB étant originaire des cellules de la crête neurale, nous avons analysé le potentiel oncogénique de ces différentes formes de ALK dans des cellules progénitrices de la crête neurale (NCPC). Méthode Des NCPC de souris (JoMal), possédant un c-MycER inductible pour leur maintien en culture in vitro, ont été transduites par un rétrovirus permettant l'expression stable de ALK-wt, ALK-F1174L et ALK-R1245Q. Des tests in vitro ont d'abord été effectués pour tester le système c-MycER, la stabilité de nos cellules transduites, leur phénotype, leur capacité de croissance et leur tumorigénicité. Les cellules transduites ont ensuite été injectées dans des souris immunosupprimées en sous-cutané, puis en orthotopique, c'est-à-dire dans leur glande surrénale, afin de mesurer leur tumorigénicité in vivo. Résultats La transduction et l'expression stable de ALK n'ont pas modifié le phénotype indifférencié des JoMal, ni de manière significative la capacité de croissance des cellules in vitro en absence d'activation de c-MycER. Par contre, lorsque c-MycER est actif, les cellules porteuses des mutations Fl 174L et R1245Q ont montré une meilleure capacité de prolifération et de formation de colonies, par rapport aux JoMal-ALK-wt et aux cellules contrôles en culture 3D dans de la méthylcellulose et dans un test de formation de neurosphères. In vivo, les souris injectées avec les cellules JoMal-ALK- F1174L en sous-cutané ou dans la glande surrénale ont rapidement développé des tumeurs, suivies par le groupe JoMal-ALK-R1245Q et le groupe JoMal-ALK-wt, alors que les groupes de souris contrôles n'ont présenté aucune tumeur. En orthotopique, nous avons obtenu 5/6 tumeurs ALK-F1174L, 7/7 tumeurs ALK-R1245Q et 6/7 tumeurs ALK-wt. Les tumeurs sous-cutanées ne présentaient pas de différences morphologiques et histologiques entre les différents groupes et montraient une histologie compatible avec un NB. Les tumeurs orthotopiques restent encore à analyser. Conclusion Cette étude a permis de démontrer que les mutations activatrices Fl 174L et R1245Q ont des propriétés tumorigéniques in vitro dans des NCPC et in vivo tandis que la forme sauvage de ALK montre une capacité oncogénique uniquement in vivo. Bien que la caractérisation des tumeurs orthotopiques n'a pas encore été effectuée, l'analyse des tumeurs sous-cutanées nous suggère que l'expression de ALK- wt ou muté est suffisante pour induire la formation de NB à partir des cellules progénitrices de la crête neurale. Le gène ALK semble donc jouer un rôle important dans l'oncogénèse du NB, aussi bien par la présence de mutations activatrices que par sa fréquente surexpression.

Metabolic and physiologic effects of an endotoxin challenge in healthy obese subjects

Rapport de synthèseEnjeux et contexteL'épidémie d'obésité est un enjeu majeur de santé publique, et l'augmentation parallèle du nombre de patients obèses admis aux soins intensifs appelle à une meilleure connaissance des spécificités de la physiopathologie de cette population. De nombreuses anomalies physiologiques associées à l'obésité sont connues, notamment une inflammation sub-clinique chronique. Cependant, les connaissances concernant la réponse inflammatoire lors d'une agression des sujets obèses sont pour l'heure assez limitées. Bien que les réponses inflammatoires in vitro du tissu adipeux soient augmentées, les données in vivo sont pour l'instant non-conclusives.L'injection intraveineuse d'endotoxine est un test hautement reproductible provoquant une inflammation de durée limitée. Il s'agit d'un test validé pour l'étude in vivo lors des réponses inflammatoires. L'endotoxine est un lipopolysaccharide contenu dans les membranes externes des bactéries gram- négatives, notamment de E.Coli. Notre équipe possède une expérience de ces tests avec endotoxine acquise lors d'une série de recherches sur les propriétés modulatrices de l'inflammation des acides gras polyinsaturés oméga-3.Lors de l'élaboration de ce projet, la réponse du sujet obèse à l'endotoxine restait méconnue. L'objectif de l'essai est d'étudier les spécificités des réponses à l'endotoxine, notre hypothèse étant que les réponses physiologiques, métaboliques et endocrines sont amplifiées chez cette catégorie de sujets.Présentation de l'étudeAfin de tester notre hypothèse, nous avons conçu une étude prospective randomisée, avec 2 procédures (injection d'endotoxine vs de placebo) en cross-over: le protocole d'investigation durait chaque fois 8h. Huit volontaires obèses grade I (BMI médian de 33.8 kg/m2) sans morbidité ont été enrôlés. Les variables étudiées étaient: les fréquences cardiaque et respiratoire, la température, la tension artérielle, le débit cardiaque et la saturation veineuse en oxygène, ainsi qu'une calorimétrie indirecte en continu. Les symptômes tels que myalgie, céphalée et nausée ont également été consignés. Des marqueurs hormonaux et inflammatoires (Cortisol, ACTH, catécholamines, insuline, glucose, glucagon, leptine, TNF-alpha, IL-6 et CRP) ont été dosés de manière répétée.Statistiques : Pour limiter les effets de la variabilité inter-individuelle et permettre une comparaison des réponses, le calcul des aires sous la courbe (AUC) selon la méthode trapézoïdale a été utilisé. Le groupe étudié étant de « petite taille », bien ceci soit habituel pour les études de physiologie, et les réponses n'étant pas normalement distribuées, des tests non-paramétriques ont été appliqués : nous savons que la puissance statistique de notre étude est limitée. Considérant les désagréments majeurs (bien que rapidement réversibles) vécus par les volontaires soumis à des infections d'endotoxine, leurs réponses ont été comparées de manières qualitative à celles des non-obèse mesurés lors de précédentes études pour éviter de répliquer ces expériences désagréables et parfaitement prévisibles.Les résultats de cette étude sont parfaitement superposables à celles trouvées chez les sujets de BMI normal, invalidant notre hypothèse de départ d'une éventuelle réponse exacerbée.Conclusions et perspectivesCette étude est la première publication concernant la réponse du patient obèse à un test d'endotoxine. La similitude des résultats chez les patients obèses et non-obèses montre que l'obésité n'est pas en soi un facteur augmentant les réponses inflammatoires.Ces résultats concernent des sujets obèses sains et ne peuvent pas être extrapolés aux sujets obèses avec comorbidités, appelant à de futures investigations chez cette catégorie de patients.

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.

Regulation of the cardiac voltage-gated sodium channel Nav1.5 : regulation of Nav1.5 by ubiquitin-protein ligases of the Nedd4/Nedd4-like family and characterisation of two novel mutations in the gene encoding Nav1.5 (SCN5A) implicated in the Brugada syndrome triggered by fever

Abstract: The genesis of the cardiac action potential, which accounts for the cardiac contraction, is due to the sodium current INa mediated by the voltage-gated sodium channel Nav1.5. Several cardiac arrhythmias such as the Brugada syndrome are known te be caused by mutations in SCN5A, the gene encoding Nav1.5. Studies of these mutations allowed a better understanding of biophysical and functional properties of Nav1.5. However, only few investigations have been performed in order to understand the regulation of Nav1.5. During my thesis, I investigated different mechanisms of regulation of Nav1.5 using a heterologous expression system, HEK293 cells, coupled with a technique of sodium current recording: the patch clamp in whole cell configuration. In previous studies it has been shown that an enzyme of the Nedd4 family (Nedd4-2) regulates an epithelial sodium channel via the interaction with PY-motifs present in the latter. Interestingly, Nav1.5 contains a similar PY-motif, which motivated us to study the role of Nedd4-2 expressed in heart for the regulation of Nav1.5. In a second study, we investigated the implication of two Nav1.5 mutants, which were either less functional or net functional (Nav1.5 R535X and Nav1.5 L325R respectively) implied in the genesis of the Brugada syndrome by fever. Our results established two mechanisms implied in Nav1.5 regulation. The first one implies that following the interaction between the PY-motif of Nav1.5 and Nedd4- 2 Nav1.5 is ubiquitinated by Nedd4-2. This ubiquitination leads to the internalization of Nav1 .5. The second mechanism is a phenomenon called the "dominant negative" effect of Nav1.5 L325R on Nay1.5 where the decrease of 'Na is potentially due to the retention of Nav1.5 by Nav1.5 L325R in an undefined intracellular compartment. These studies defined two mechanisms of Nav1.5 regulation, which could play an important role for the genesis of cardiac arrhythmias where molecular processes are still poorly understood. Résumé La genèse du potentiel d'action cardiaque, permettant la contraction cardiaque, est due au courant sodique INa issu des canaux sodiques cardiaques dépendants du voltage Nav1.5. Nombreuses arythmies cardiaques telles que le syndrome de Brugada sont connues pour être liées à des mutations du gène SCN5A, codant pour Nav1.5. L'étude de ces mutations a permis une meilleure compréhension des propriétés structurelles et fonctionnelles de Nav1.5 et leurs implications dans la genèse de ces pathologies. Néanmoins peu d'études ont été menées afin de comprendre les mécanismes de régulation de Nav1.5. Mon travail de thèse a consisté à étudier des mécanismes de régulation de Nav1.5 en utilisant un système d'expression hétérologue, les cellules HEK293, couplé à une technique d'enregistrement des courants sodiques, le "patch clamp" en configuration cellule entière. La présence sur Nav1.5 d'un motif-PY similaire à ceux nécessaires pour la régulation d'un canal épithélial sodique par une enzyme de la famille de Nedd4, nous a amenée à étudier le rôle de ces ubiquitine-ligases, en particulier Nedd4-2, dans la régulation de Nav1.5. La seconde étude s'est intéressée aux conséquences de deux mutations de SCN5A codant pour deux mutants peu ou pas fonctionnels (Nav1.5 L325R et Nav1.5 R535X respectivement) retrouvées chez des patients présentant un syndrome de Brugada exacerbé par un état fébrile. Nos résultats ont permis d'établir deux mécanismes de régulation de Nav1.5 L'un par Nedd4-2 qui implique rubiquitination de Nav1.5 par cette ligase suite à l'interaction entre le motif-PY de Nav1.5 et Nedd4-2. Cette modification déclenche l'internalisation du canal impliquée dans la diminution d'INa. Le second mécanisme quant à lui est un effet "dominant négatif" de Nav1.5 L325R sur Nav1.5 aboutissant à une diminution d'INa suite à la séquestration intracellulaire potentielle de Nav1.5 par Nav1.5 L325R. Ces études ont mis en évidence deux mécanismes de régulation de Nav1.5 pouvant jouer un rôle majeur dans la genèse et/ou l'accentuation des arythmies cardiaques dont les processus moléculaires au sein des cardiomyocytes, impliquant des modifications du courant sodiques, sont encore mal compris. Résumé destiné à un large public La dépolarisation électrique de la membrane des cellules cardiaques permet la contraction du coeur. La génèse de cette activité électrique est due au courant sodique issu d'un type de canal à sodium situé dans la membrane des cellules cardiaques. De nombreuses pathologies provoquant des troubles du rythme cardiaque sont issues de mutations du gène qui code pour ce canal à sodium. Ces canaux mutants, entrainant diverses pathologies cardiaques telles que le syndrome de Brugada, ont été largement étudiées. Néanmoins, peu de travaux ont été réalisés sur les mécanismes de régulation de ce canal à sodium non muté. Mon travail de thèse a consisté à étudier certains des mécanismes de régulation de ce canal à sodium en utilisant une technique permettant l'enregistrement des courants sodiques issus de l'expression de ces canaux à sodium à la membrane de cellules mammifères. La présence sur ce canal à sodium d'une structure spécifique, similaire à celle nécessaire pour la régulation d'un canal épithélial à sodium par une enzyme appelée Nedd4-2, nous a amenée à étudier le rôle de cette enzyme dans la régulation de ce canal à sodium. La seconde étude s'est intéressée aux rôles de deux mutations du gène codant pour ce canal à sodium retrouvées chez des patients présentant un syndrome de Brugada exacerbé par la fièvre. Nos résultats nous ont permis d'établir deux mécanismes de régulation de ce canal à sodium diminuant le courant sodique l'un par l'action de l'enzyme Nedd4-2, suite à son interaction avec ce canal, qui modifie ce canal à sodium (ubiquitination) diminuant de ce fait la densité membranaire du canal. L'autre par un mécanisme suggérant un effet négatif de l'un des canaux mutants sur l'expression à la membrane du canal à sodium non muté. Ces études ont mis en évidence deux mécanismes de régulation de ce canal à sodium pouvant jouer un rôle majeur dans la genèse et/ou l'accentuation des troubles du rythme cardiaques dont les mécanismes cellulaires sont encore incompris.

Étude de la fonction de GLUT8 sur un modèle de souris "knock-out"

Résumé GLUT8 est la première des nouvelles isoformes des GLUT récemment identifiés. Il est fortement exprimé dans les testicules et plus faiblement dans les blastocystes, le cerveau, particulièrement au niveau de l'hippocampe, et le coeur. En conditions basales, il est retenu dans un compartiment intracellulaire. Si on l'exprime en surface cellulaire, par la mutation du motif d'internalisation dileucine, il transporte le glucose avec une bonne affinité. Dans le but d'étudier sa fonction au niveau de l'organisme, nous avons créé un modèle de knock out conditionnel, en entourant le dernier exon du gène de GLUT8 par deux sites loxP. En croisant nos souris avec une souche de souris transgénique exprimant la cre-recombinase dans les cellules de la lignée germinale, nous avons généré un modèle de souris portant la délétion totale de GLUT8 de manière constitutionnelle. Les statistiques effectuées sur les premières naissances indiquent qu'une partie des souris knock out ne survit pas, suggérant un rôle de GLUT8 au niveau du développement embryonnaire. Les souris qui ont survécu ne présentent toutefois pas d'anomalies durant la croissance et sont fertiles. Elles ont des taux de glucose et d'insuline sanguins normaux. Au niveau cérébral, la structure de l'hippocampe n'est pas modifiée par la suppression de GLUT8, cependant, les souris GLUT8-/- présentent une prolifération cellulaire augmentée dans le gyrus denté. Cette augmentation de division cellulaire pourrait être la réponse adaptée à une éventuelle augmentation de la mort cellulaire au niveau de l'hippocampe. Elles ne semblent toutefois pas présenter de défauts cognitifs majeurs dans le bassin de Morris en conditions normales. Toutefois, en conditions de jeûne, elles tendent à une meilleure mémorisation à court terme. Les études morphologiques et histologiques au niveau cardiaque n'ont pas révélé de d'hypertrophie au niveau ventriculaire. La stimulation de la contraction à l'isoprotérénol n'a pas mis en évidence de défaut d'adaptation des coeurs GLUT8-/-. Cependant l'analyse fonctionnelle par électrocardiogramme, en conditions basales, a montré une augmentation de la durée de l'onde P, suggérant un défaut dans la dépolarisation des oreillettes. Nos résultats indiquent que GLUT8 ne joue pas un rôle prédominant dans la survie et la fonction basale des souris. Il pourrait jouer un rôle plus important dans des situations stressantes pour l'organisme, comme l'hypoglycémie ou les conditions d'ischémie qui induiraient son expression à la membrane plasmique et stimuleraient le captage du glucose. Abstract GLUT8 was the first of the recently identified isoform of the GLUT family proteins. It is strongly expressed in the testis. It is also found at a lower level in the blastocyst, in heart and in the brain. Under basal conditions, it is retained in the intracellular compartment, but when the internalization motif dileucine is mutated, GLUT8 translocates to the plasma membrane and transports glucose with a relatively high affinity. To study its function in vivo, we created a conditional knock out mouse model. To do so, we targeted the last exon of the GLUT8 gene with two loxP sites. We then crossed these mice with a transgenic model expressing the cre-recombinase in the gem' line to generate a constitutional total knock out mouse. The statistics made on the first breedings showed that some of the knock out mice do not survive, suggesting a role of GLUT8 in the embryonic development. Conversely mice who survive do not show developmental defects and they are fertile with normal glucose and insulin blood levels. In the brain, the general structure of the hippocampus is not modified by the deletion of GLUT8. However, GLUT8-/- mice show an increase in the cell proliferation in the dentate gyms. This cell proliferation could be due to an increase in the cell death in the hippocampus. When tested in the morris water maze, these mice do not show any cognitive defects in the basal conditions, but they have a tendency to learn better in fasted conditions. The morphological and histological studies made at the heart level did not show any cardiac hypertrophy in the ventricles. The stimulation with isoproterenol did not show any adaptation defects in the GLUT8-/- hearts. However, the functional analysis made in basal conditions with the electrocardiogram showed an increase in the P wave length, suggesting a defect in the atrial depolarization in the knock out mice. Overall, our results show that GLUT8 does not play an important role in the basal general functions in the mice, but might play a more important role during whole organism stress. Hypoglycaemia or ischemia, for example could stimulate the GLUT8 translocation to the plasma membrane to increase specifically glucose uptake. Résumé tout public Les différentes cellules de l'organisme possèdent des propriétés particulières, qui leur permettent de maintenir les fonctions de l'organe auquel elles appartiennent. La membrane plasmique qui les délimite sélectionne les substances qui vont pénétrer à l'intérieur de la cellule et permet ainsi de maintenir un environnement interne constant. Le glucose est une source d'énergie importante pour la cellule et doit pouvoir pénétrer à l'intérieur de la cellule. Il utilise pour cela des protéines de transport qui le feront passer de part et d'autre de la membrane. Les protéines de la famille des GLUT (pour GLUcose Transporter) possèdent cette capacité. GLUT8 est un membre de la famille des GLUT identifié récemment. Il possède la capacité de transporter le glucose quand il se présente à la surface de la cellule. Il est principalement exprimé dans les testicules, dans le coeur et le cerveau et durant le développement embryonnaire. Son rôle n'est toutefois pas encore défini. Ce travail consiste à étudier la fonction de GLUT8 au niveau de l'organisme entier. Nous avons créé un modèle de souris dans lesquelles l'expression de GLUT8 a été supprimée pour mettre en évidence son importance dans le maintien de l'intégrité des fonctions du corps. Les observations effectuées sur les souris qui n'expriment plus GLUT8 nous indiquent que leurs cellules prolifèrent plus vite au niveau de l'hippocampe. L'hippocampe est une structure située dans le cerveau qui est impliquée dans les phénomènes d'apprentissage. Les souris qui ont été testées dans des tâches d'apprentissage n'ont malgré cela pas montré une amélioration de la mémorisation. Dans le coeur, la suppression de GLUT8 semble présenter un défaut quand on mesure l'activité électrique du coeur par électrocardiogramme. Toutefois, ils fonctionnent normalement et ne présentent pas de défauts morphologiques en conditions normales. Les expériences effectuées sur les modèles de souris indiquent que GLUT8 ne jouerait pas un rôle prédominant dans le fonctionnement normal du corps. Il pourrait exercer sa fonction dans des situations plus particulières comme l'hypoglycémie, où il permettrait une meilleure capacité à transporter le glucose dans les cellules.

Immunomodulation nutritionnelle chez les patients atteints de mucoviscidose

SUMMARY Pulmonary Pulmonary disease is the primary cause of morbidity and mortality in cystic fibrosis patients (CF). Airways of CF patients are early colonized by various bacteriae, and an intense inflammatory response participates to airways destruction. Accumulation of neutrophils releasing proteolytic enzymes and free radicals induce progressive lung tissue destruction in CF. Among several inflammatory mediators implicated in this process, chemotactic factors such as leukotriene B4 (LTB4), product of arachidonic omega-6 polyunsaturated fatty acid (PUFA), plays an important role. Many anti-inflammatory therapies including corticosteroids, ibuprofen, macrolides, antioxidants and antiproteinases have been proposed in CF over the last 20 years. In complement to these various approaches, dietary supplementation with polyunsaturated fatty acids (PUFA) omega-3, known to favor the synthesis of less inflammatory leukotriene B5 (LTB5), could also represent a potential. therapy. The objective of this thesis was to assess the impact of this nutritional approach on several CF neutrophil functions. In addition, we have also examined the influence of this approach on various clinical parameters, to assess the feasibility of future studies specifically oriented towards clinical effects. To that endeavour, a high performance liquid chromatography method has been developed and validated, allowing the simultaneous determination of LTB4 and LTB5 produced by stimulated human polymorphonuclear leukocytes. This method was applied for the analysis of samples collected from CF patients taking part to a double-blind, randomized, crossover placebo-controlled clinical trial aiming at evaluating in these patients the immunomodulatary effect of a liquid supplementation enriched in omega-3 PUFA in CF. This study has shown that omega-3 PUFA are incorporated in CF neutrophil membranes and results into a modulation of leucotrienes B production, as testified by a three fold decrease in LTB4/LTB5 ratio after omega-3 PUFA supplementation. However, no clinical improvement was observed upon omega-3 supplementation, very reproducible results observed allow to be optimistic for a future larger trial focused on clinical outcomes. In conclusion, even if the results show that omega-3 PUFA are absorbed by CF patients and that the subsequent decrease in LTB4/LTB5 ratio suggests that in such conditions, neutrophils may produce less pro-inflammatory mediators, the clinical relevance of those observations remains to be demonstrated. Future multicentric studies focusing on clinical endpoints are still warranted to determine the importance of omega-3 PUFA in CF therapeutics. RÉSUMÉ Les patients atteints de mucoviscidose (patients CF) souffrent d'infections pulmonaires récurrentes. Celles-ci provoquent un afflux permanent de neutrophiles dans le poumon, neutrophiles qui libèrent des enzymes protéolytiques et des radicaux libres responsables à long terme de la destruction du tissu pulmonaire et, finalement, de l'insuffisance respiratoire, première cause de morbidité et de mortalité chez ces patients. La réponse inflammatoire ainsi induite peut être réduite par divers traitements anti-inflammatoires, tels que corticoïdes, anti-inflammatoires non stéroïdiens ou azithromycine. L'apport oral en acides gras polyinsaturés (AGPI) oméga-3 pourrait être une autre approche thérapeutique intéressante. Ces nutriments sont décrits comme possédant des propriétés anti-inflammatoires notamment en favorisant la synthèse d'eicosanoïdes pourvus d'une activité inflammatoire moindre par rapport à ceux issus d'une autre famille d'AGPI, les oméga-6. Ce travail de thèse a pour objectif premier d'évaluer l'impact de cette approche nutritionnelle sur diverses fonctions du neutrophile chez des patients CF. Cependant un intérêt de nature prospective a également été porté à certains paramètres cliniques, afin d'évaluer la faisabilité d'une future étude axée sur des effets cliniques. Pour ce faire, une méthode de chromatographie liquide à haute performance couplée à un spectromètre de masse a été développée et validée. Cette analyse devait permettre le dosage simultané de deux eicosanoïdes, le leucotriène B4 (LTB4) issu des AGPI oméga-6 et le leucotriène B5 (LTB5) issu des AGPI oméga-3. Puis, une étude clinique, double aveugle, randomisée, croisée sans période de washout, mais contrôlée avec un placebo, a été mise au point pour évaluer l'effet immunomodulateur de ces AGPI oméga-3 donnés sous la forme d'un liquide nutritif chez des patients CF. Les résultats de cette étude ont permis de démontrer l'absorption intestinale des AGPI oméga-3 par les patients. De plus, leur administration a permis de modifier la production de teucotriène B. En effet, le ratio LTB4/LTB5 a été diminué de près de trois fois sous liquide nutritif enrichi en AGPI oméga-3. Enfin aucune différence n'a pu être notée pour les paramètres cliniques; toutefois les résultats reproductibles observés permettent d'envisager qu'une future étude multicentrique axée sur des effets cliniques est faisable. En conclusion, la modification de la composition en AGPI membranaires du neutrophile observée durant cette étude laisse penser que ces nutriments sont absorbés par les patients CF. La modulation de la production en LTBs qui en découle permet d'envisager un potentiel effet anti-inflammatoire. Toutefois, la relevance clinique de ces observations restent à être démontrée. A l'heure actuelle, une étude multicentrique, focalisée sur des paramètres cliniques, est nécessaire avant de pouvoir se prononcer sur l'utilisation des AGPI oméga-3 chez les patients CF.

Biochemical characterization of recombinant human telomerase

Résumé Les télomères sont les structures ADN-protéines des extrémités des chromosomes des eucaryotes. L'ADN télomérique est constitué de courtes séquences répétitives. L'intégrité des télomères est essentielle pour protéger les extrémités des chromosomes contre les systèmes de dégradations et pour les distinguer des cassures de l'ADN double brin. Parce que la machinerie de la réplication de l'ADN n'est pas capable de répliquer l'extrémité des chromosomes, les télomères raccourcissent au fur et à mesure des cycles de réplication. Dès que les télomères atteignent une longueur critique, leur structure protectrice est perdue. Cela induit un signal de dommage de l'ADN et l'arrêt du cycle cellulaire. Pour contrebalancer le raccourcissement des télomères, les cellules qui s'auto régénèrent, dont les cellules de la moelle osseuse, les lymphocytes activés et 80-90% des cellules cancéreuses, expriment la télomérase. C'est une ribonucléoprotéine qui a la capacité de synthétiser des séquences télomériques par transcription inverse d'une courte séquence contenue dans sa propre sous-unité ARN avec laquelle elle est associée. La télomérase humaine est une enzyme processive au niveau de l'addition des nucléotides et aussi des répétitions télomériques. La télomérase de levure et la télomérase humaine sont toutes deux dimériques et il a été montré que la télomérase humaine recombinante contient deux ARN qui coopèrent pour fonctionner ainsi que deux sous-unités catalytiques. Cependant, il n'a pas encore été montré quel est le rôle de la dimérisation dans l'activité de la télomérase. Afin d'élucider ce rôle, nous avons exprimé, reconstitué et purifié la télomérase humaine dimérique recombinante. Et pour étudier l'effet d'ARN mutants sur l'activité de la télomérase, nous avons développé une méthode pour reconstituer et enrichir en hétérodimères de télomérase. Les hétérodimères contiennent une sous-unité ARN sauvage et une sous-unité ARN mutée au niveau de la séquence de la matrice. Sur l'ARN muté nous avons introduit une étiquette aptamer ARN-S1 puis nous avons purifié la télomérase via l'etiquette Si. Nous avons montré que la dimérisation est essentielle pour l'activité de la télomérase. Nos données indiquent que chaque télomérase du dimère allonge leur substrat, l'ADN télomérique, indépendamment l'une de l'autre à chaque cycle d'élongation mais que l'addition itérative de répétitions télomériques nécessite une coopération entre les deux télomérases du dimère. Nous proposons donc un modèle dans lequel les deux télomérases du dimères se lient et allongent deux substrats télomères et que pendant l'élongation processive les deux enzymes subissent un changement de conformation de manière coordonnée, ce changement va permettre le repositionnement des substrats pour d'autres cycles d'additions de répétitions télomériques. Dyskeratosis congenita est une maladie mortelle due majoritairement au disfonctionnement de la moelle osseuse. Dans la forme autosomale de la maladie, l'ARN de la télomérase contient des mutations. En utilisant notre système de reconstitution, nous avons montré que ces ARN mutés, qui ont perdu leur activité enzymatique dans le cas d'un homodimère de mutants, sont dominant négatifs quand ils sont présents dans les hétérodimères sauvage/mutant. Cet effet trans-dominant négatif pourrait contribuer à la progression de la maladie. Abstract Telomeres are protein-DNA structures at the ends of linear eukaryotic chromosomes. The telomeric DNA consists of tandemly repeated sequences. Telomeric integrity is essential to protect chromosomal ends from nucleolytic degradation and to prevent their recognition as DNA double strand breaks. Due to the inability of the conventional DNA replication machinery to replicate terminal DNA stretches, telomeres shorten with continuous rounds of DNA replication. As soon as telomeres reach a critical length, their protective structure is lost and the deprotected telomeres will induce a DNA damage response leading to cell cycle arrest. To counteract telomere shortening, self-renewing cells, including bone marrow cells, activated lymphocytes and 80-90% of cancer cells express the cellular reverse transcriptase telomerase, which has the capacity to synthesize telomeric repeats by reverse transcription of a short template sequence encoded by its stably associated RNA subunit. Human telomerase is a processive enzyme for nucleotide as well as repeat addition. Both yeast and human telomerase are dimeric enzymes and recombinant human telomerase has been shown to contain two functionally cooperating RNAs and most probably also two protein subunits. However, it has remained unclear how dimerization may contribute to telomerase activity. To study the role of dimerization, we expressed, reconstituted and purified recombinant human telomerase. We also developed a new method to reconstitute and enrich for telomerase heterodimers containing wild-type (wt) and mutant telomerase RNA subunits. To this end we introduced an S1-RNA-aptamer tag into telomerase RNA and purified telomerase reconstituted with a mixture of untagged and tagged RNA via the S1-tag. Using this experimental system, we introduced template mutations in the tagged RNA subunit and examined the effect of mutant RNAs on wt telomerase activity in wt/mutant heterodimers. We obtained evidence that dimerization is essential for telomerase activity. Our data indicate that the two subunits elongate telomere substrates independently of each other during single rounds of elongation, but that iterative addition of telomeric repeats requires cooperation between the two subunits. We suggest a model, in which dimeric telomerases bind and elongate two telomere substrates and that the two subunits undergo coordinated conformational changes during processive elongation that enable repositioning the substrates for subsequent rounds of repeat addition. Dyskeratosis congenita is a multisystemic disease with bone marrow failure as the major cause of death. The autosomal form of this disease was found to harbor mutations in the telomerase RNA. Using our reconstitution system, we tested whether mutant dyskeratosis telomerase RNAs behaved in a dominant negative manner. We observed that dyskeratosis telomerase RNA mutants, which lacked enzymatic activity were dominant negative, when present in wt/ mutant heterodimers. The transdominant negative effect of these mutants may contribute to disease progression.

Saccharomyces cerevisiae, a tool to study the β-oxidation through the synthesis of polyhydroxyalkanoates

Summary Polyhydroxyalkanoates (PHAs) represent a family of polyesters naturally synthesized by a wide variety of bacteria. Through their thermoplastic and elastomeric qualities, together with their biodegradable and renewable properties, they are predicted to be a good alternative to the petroleum- derived plastics. Nevertheless, as PHA production costs using bacteria fermentation are still too high, PHA synthesis within eukaryotic systems, such as plants, has been elaborated. Although the costs were then efficiently lowered, the yield of PHAs produced remained low. In this study, Saccharomyces cerevisae has been used as another eukaryotic model in order to reveal the steps which limit PHA production. These cells express the PHA synthase of Pseudomonas aeruginosa and the PHAs obtained were analyzed to understand the flux of fatty acids towards and through the peroxisomal β-oxidation core cycle, generating the main substrate of the PHA synthase. When S. cerevisiae wild-type cells are grown in a media containing glucose as carbon source as well as fatty acids, the PHA monomer composition is largely influenced by the nature of the external fatty acid used. Thus, even-chain PHA monomers are generated from oleic acid (18:1Δ9cis) and odd- chain PHA monomers are generated from heptadecenoic acid (17:1Δ. 10 cis). Moreover, PHA synthesis is dependent on the first two enzymes of the 0-oxidation core cycle, the acyl-CoA oxidase and the multifunctional enzyme enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase. S. cerevisiae mutant cells growing on oleic or heptadecenoic acid and deficient in either the R-3- hydroxyacyl-CoA dehydrogenase or in the 3-ketothiolase activity, the last β-oxidation cycle steps, surprisingly contained PHAs of predominantly even-chain monomers. This is also noticed in wild- type and mutants grown on glucose or raffinose, indicating that the substrate used for PHA synthesis is generated from the degradation of intracellular short- and medium-chain fatty acids by the 3- oxidation cycle. Inhibition of fatty acid biosynthesis by cerulenin blocks the synthesis of PHAs from intracellular fatty acids but still enables the use of extracellular fatty acids for polymer production. Together, these results uncovered the existence of a substantial futile cycle whereby short- and medium-chain intermediates of the cytoplasmic fatty acid biosynthetic pathway are directed towards the peroxisomal β-oxidation pathway. In this thesis, no increase of the yield of PHA produced could be obtained. But the PHA synthesis confirmed the carbon flux into and through the β-oxidation core cycle and unveiled the existence of novel mechanisms. It is thus a good tool to study in vivo the flux of carbons in S. cerevisiae cells. Résumé Les polyhydroxyalkanoates (PHAs) sont une famille de polyesters naturellement synthétisés par un grand nombre de bactéries. Ayant des propriétés de thermoplastiques, d'élastomères et étant des ressources biodégradables et renouvelables, les PHAs représentent une bonne alternative aux plastiques dérivés du pétrole. Pour pallier aux coûts considérables de la production de PHAs par fermentation bactérienne, la synthèse de PHAs par des systèmes eucaryotes telles les plantes a été élaborée. Les coûts ont ainsi efficacement été diminués, mais le rendement de PHAs produits reste faible. Dans cette étude, Saccharomyces cerevisiae a été utilisé comme autre modèle eucaryote pour révéler les étapes limitantes de la production de PHAs. Les PHAs obtenus dans les cellules exprimant la F'HA synthase de Pseudomonas aeruginosa ont été analysés afin de comprendre le flux d'acides gras vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation, principal producteur du substrat de la PHA synthase. Lorsque la souche S. cerevisiae de type sauvage se développe dans un milieu contenant du glucose et des acides gras, la composition des monomères de PHAs est influencée par la nature des acides gras extracellulaires. Ainsi, les monomères pairs sont générés par l'acide oléique (18:1Δ9cis), tandis que les impairs le sont par l'acide heptadécénoïque (17:1Δ10cis). La synthèse de PHAs est dépendante des deux premières enzymes de la β-oxidation; l'acyl-CoA oxidase et l'enzyme multifonctionnelle enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase. Les souches mutantes ne possédant pas les activités de la R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase ou de la 3- ketothiolase contiennent, en présence d'acide oléique ou heptadécénoïque, des PHAs composés essentiellement de monomères pairs. Cela a également été observé en présence de glucose ou de raffinose uniquement. Le substrat utilisé pour la synthèse de PHAs a ainsi été généré par la dégradation d'acides gras intracellulaires à chaîne courte et moyenne via le cycle de la β-oxidation. L'inhibition de la synthèse d'acides gras par la cérulénine a bloqué la synthèse de PHAs par les acides gras internes. Ces résultats ont révélés l'existence d'un cycle futile par lequel des intermédiaires à chaîne courte et moyenne de la synthèse cytoplasmique d'acides gras sont dirigés vers le cycle péroxisomal de la β-oxidation. Dans cette étude, le rendement de PHAs produits reste inchangé, mais l'analyse des PHAs permet de confirmer le flux de carbones vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation et l'existence de nouveaux méchanismes a été dévoilée. Cette synthèse s'avère être un bon outil pour étudier in vivo le flux de carbones dans les cellules de S. cerevisiae.

Characterization of a plant-derived peptide displaying water clarifying and antimicrobial activities

SUMMARY Drinking water is currently a scarce world resource, the preparation of which requires complex treatments that include clarification of suspended particles and disinfection. Seed extracts of Moringa oleifera Lam., a tropical tree, have been proposed as an environment- friendly alternative, due to their traditional use for the clarification of drinking water. However, the precise nature of the active components was unknown. Here, we show that recombinant or synthetic forms of a cationic seed polypeptide mediate efficient sedimentation of suspended mineral particles and bacteria. Unexpectedly, the polypeptide was also found to possesses a bactericidal activity capable of disinfecting heavily contaminated water. Furthermore, the polypeptide has been shown to efficiently kill several pathogenic bacteria, including antibiotic-resistant isolates of Pseudomona, Streptococcus and Legionella species. Structural modeling of the peptide coupled to the functional analysis of synthetic peptide derivatives delineated distinct structural determinants for the flocculation and antibacterial activities. Our results suggest that a glutamine-rich portion of the polypeptide is involved in the sedimentation process; alternatively, the antibacterial activity depends on a amphiphilic loop. Assembly of multiple copies of this loop into a branched peptide derivative strongly enhances antibacterial activity without displaying hemolytic effect. In conclusion, this polypeptide displays the unprecedented feature of combining efficient water purification and disinfectant properties indicating different molecular mechanisms involved in each case. This work not only identified the features responsible for these activities but also provides useful information that has implications for the further development of this cationic polypeptide as a potent antibacterial agent. RESUME L'eau potable est actuellement une ressource limitée dans le monde. La production d'eau propre à la consommation exige des traitements complexes, incluant la clarification des particules en suspension ainsi que sa désinfection par des additifs chimiques. Les extraits de la graine d'un arbre tropical, Moringa oleifera, sont utilisés traditionnellement en Afrique afin de clarifier l'eau. Quoique la nature exacte des composants actifs était inconnue, on a pu mettre en évidence un polypeptide cationique contenu dans ces graines, capable de sédimenter de manière efficace des particules minérales en suspension ainsi que des bactéries. Ce travail a aussi mis en évidence que ce polypeptide a une activité bactéricide, permettant une désinfection d'eau fortement contaminée. De plus, nous avons démontré que ce polypeptide est efficace contre de nombreuses souches bactériennes pathogènes, également celles résistantes aux antibiotiques comme Pseudomonas, Streptococcus et Legionella. L'analyse de la structure moléculaire de ce polypeptide, couplée à son analyse fonctionnelle a mis en évidence deux domaines structuraux distinct, un pour l'activité de floculation et l'autre pour l'activité antibactérienne. Nos résultats suggèrent que le domaine riche en glutamine est impliqué dans le processus de sédimentation et que l'activité antimicrobienne dépend d'un domaine formant une boucle amphiphilique. En ramifiant plusieurs copies de cette boucle on a pu augmenter de manière significative l'activité antibactérienne. En conclusion, nous avons pu démontrer que ce polypeptide à la capacité unique de combiner des propriétés de purification et de désinfection de l'eau, ce qui implique des mécanismes moléculaires distincts pour ces deux activités. Ce travail a permis d'identifier les domaines du polypeptide qui sont responsables de ses activités et offre une perspective pour le développement d'un nouvel agent antimicrobien.

Study of drug tolerance mechanisms and of the calcineurin pathway in the opportunistic pathogen "Candida albicans"

ABSTRACT :Azole antifungal drugs possess fungistatic activity in Candida albicans making this human pathogen tolerant to these agents. The conversion of azoles into fungicidal agents is of interest since their fungistatic properties increase the ability of C. albicans to develop drug resistance. In C. albicans, the phosphatase calcineurin (calcineurin) is essential for antifungal drug tolerance. Up to now, the only known target of calcineurin is Crzl, which is a transcription factor (TF) involved in responses to ionic stress. Thus, most of the components of the calcineurin signaling remain to be identified in C. albicans.In this work, the calcineurin pathway was investigated in order to i) characterize the role of calcineurin in the biology of C. albicans, ii) identify putative targets of calcineurin and iii) characterize the phenomenon of tolerance to antifungal drugs. Towards these aims, four different approaches were used.First, using C. albicans microarrays, an attempt was made to identify a set of calcineurindependent genes (CDGs). Since CDGs were highly dependent upon the external stimulus used to activate calcineurin (Ca2+ or terbinafine), this stimulus bias was bypassed by the construction of strains expressing a truncated autoactive form of calcineurin (Cmp1tr) in a doxycyclinedependent manner. The characterization of Cmpltr was undertaken and results showed that it mimicked awild-type activated calcineurin for all tested phenotypes (i.e. Cnbl-dependence, inhibition by FK506, phosphatase 2B activity, ability to dephosphorylate Crzl and to regulate Crz1-and calcineurin-dependent genes, role in antifungal drug tolerance and susceptibility, role in colony formation on Spider agar). Cmp1tr was therefore considered as a valid tool to study the calcineurin signaling pathway. In silico analysis of CDGs allowed the identification of i) a significant overlap between CDGs and genes regulated by the Cyrl signalíng pathway, ii) putative interactions between calcineurin activation and cell wall reorganization and phospholipid transport, iii) a putative interactión between calcineurin and the regulation of translation and iv) a putative relation between calcineurin and proteasome regulation. Further in silico analyses of the promoters of Crz1-independent CDGs were performed to identify TFs (other than Crz1) that were likely to regulate CDGs and therefore to be a direct target of calcineurin. The analyses revealed that Rpn4 and Mnl1 were TFs likely to be regulated by calcineurin.Second, in order to better characterize azole tolerance, an attempt was made to i) confirm the role of Hsp90 in fluconazole tolerance with a doxycycline-dependent Hsp90 expression system and ii) assess its calcineurin-dependence. Hsp90 was found to be significantly involved in fluconazole tolerance. However, results were not in agreement with the hypothesis that Hsp90 mediates fluconazole tolerance by the only downstream effector calcineurin. Rather Hsp90 is interacting with numerous components for fluconazole tolerance.Third, a collection of C. albicans TFs mutants were screened for loss of tolerance to terbinafine and fluconazole in order to identify TFs involved in antifungal drug tolerance. Out of the 265 TFs mutants screened, only the upc2Δ/Δ mutant showed a loss of fluconazole and terbinafine tolerance. Interestingly, no relation between Upc2 and calcineurin activity was found. These results suggested that the tolerance to antifungal drugs must not be only considered as a calcineurin-dependent phenomenon in C. albicans.Fourth, using FRCS analyses, an attempt was made to identify putative signs of programmed cell death (PCD) in calcineurin mutant cells upon loss of tolerance to terbinafine. A high proportion of cells died from both RO5-dependent (which is a sign of PCD) and ROS-independent (which is a sign of loss of homeostasis) processes in the calcineurin mutant. While these results suggest that calcineurin represses both loss of homeostasis and PCD, the role of calcineurin in PCD is still an open question.In conclusion, this work allowed i) the identification of several putative calcineurin targets, ii) the discovery of several links between calcineurin and signaling pathways and important biological processes and iii) the identification of novel components of calcineurin-independent mechanisms that participate in tolerance to antifungal drugs in C. albicans.RÉSUME :Les azoles sont des antifongiques qui présentent une activité fongistatique contre Candida albicans et rendent cette levure tolérante à ces agents. La conversion des azoles en agents fongicides est d'intérêts car leurs propriétés fongistatiques favorisent le développement de résistance aux drogues chez C. albicans. La calcineurine (calcineurin) est une phosphatase essentielle pour la tolérance aux antifongiques chez C. albicans. La seule cible connue de la calcineurin est Crz1, un facteur de transcription (FT) impliqué dans la réponse aux stress ionique. Ainsi, la plupart des constituants de la voie de signalisation de la calcineurin restent encore à être identifiés chez C. albicans.Dans ce travail de thèse, la voie de signalisation de la calcineurin a été étudiée de sorte à i) caractériser le rôle de la calcineurin dans la biologie de C. albicans, ii) identifier de nouvelles cibles de la calcineurin et iii) caractériser le phénomène de tolérance aux antifongiques. A ce propos, quatre approches ont été entreprises.Premièrement, des puces à ADN de C. albicans ont été utilisées afin d'identifier les gènes dépendants de la calcineurin (GDCs). Les GDCs étant étroitement dépendants du stimulus utilisé pour activer la calcineurin, le biais «stimulus» a été évité via la construction d'une souche exprimant une forme tronquée et autoactive de la calcineurin (Cmp1tr), en présence de doxycycline. La caractérisation de Cmp1tr a été entreprise et les résultats ont montré qu'elle mimait une calcineurin sauvage et activée pour la plupart des phénotypes testés (i.e. dépendance à Cnb1, inhibition par le FK506, activité phosphatase 2B, déphosphorylation de Crz1 et régulation de gènes dépendant de la calcineurin, rôle dans la tolérance et la susceptibilité aux antifongiques, rôle dans la formation des colonies sur milieu Spider). Cmp1tr a donc été considéré comme un outil pertinent pour l'étude de la voie de signalisation de la calcineurin. Les analyses in silico des GDCs ont permis l'identification i) d'un chevauchement entre les GDCs èt les gènes régulés par la voie de signalisation de Cyrl, ii) d'une interaction entre la calcineurin et la réorganisation de la paroi cellulaire ainsi que le transport des phospholipides, iii) d'une interaction entre calcineurin et la régulation de la traduction et iv) une relation entre la calcineurin et la régulation du protéasome. De plus, une analyse in silico des promoteurs des GDCs avec une régulation indépendante de Crz1 a permis d'identifier deux FTs qui pourraient être des cibles directes de la calcineurin, Rpn4 et Mnll.Deuxièmement, afin de caractériser la tolérance aux azoles, il a été entrepris i) de confirmer le rôle de Hsp90 dans la tolérance au fluconazole en utilisant un système d'expression dépendant de la doxycycline et ii) de caractériser sa dépendance à la calcineurin. Hsp90 a été montré impliqué dans la tolérance aux azoles. Cependant, les résultats n'ont pas corroboré une hypothèse expliquant le rôle d'Hsp90 dans la tolérance aux antifongiques par son unique. interaction avec la calcineurin. Il a été proposé que le rôle d'Hsp90 dans la tolérance aux antifongiques soit dû à ces multiples interactions avec le protéome de C. albicans plutôt que par son interaction avec un partenaire unique.Troisièmement, une collection de mutant pour des FTs de C. albicans a été criblée pour une perte de tolérance au fluconazole ou à la terbinafine, de sorte à identifier les FTs impliqués dans la tolérance aux antifongiques. Sur les 265 FTs passés au crible, seul le mutant upc2Δ/Δ a montré une perte de tolérance au fluconazole et à la terbinafine. Aucune relation n'a été trouvée entre la calcineurin et l'activité d'Upc2. Ces résultats suggèrent que la perte de tolérance aux antifongiques ne doit pas être considérée comme un phénomène exclusivement lié à la voie de signalisation de la calcineurin.Quatrièmement, en utilisant la cytométrie de flux, la présence de signes de mort cellulaire programmée (MCP) a été recherchée lors de la perte de tolérance du mutant calcineurin incubé avec de la terbinafine. Une grande proportion de cellules mortes incluant ou non une production de ROS (un signe de MCP) a été détectée dans le mutant calcineurin. Ces résultats préliminaires suggèrent que la calcineurin réprime autant la perte d'homéostasie qu'elle régule l'entrée en MCP. Cependant d'autres analyses sont nécessaires pour démontrer clairement le rôle de la calcineurin dans la régulation de la MCP.En conclusion, ce travail de thèse a permis i) l'identification de plusieurs cibles possibles de la calcineurine, ii) la découverte de plusieurs interactions entre la calcineurine et d'autres voies de signalisation et processus biologiques importants et iii) de démontrer la présence de voies indépendantes de la calcineurine impliquées dans la tolérance aux antifongiques chez C. albicans.

Remodelage des canaux potassiques dépendants de l'ATP lors de l'hypertrophie et de l'insuffisance cardiaque

RESUME :Introduction. Les maladies cardiovasculaires représentent la première cause de mortalité dans les pays développés et l'insuffisance cardiaque (IC) est la plus fréquente. Suite à un infarctus, le coeur des patients subit un remodelage ventriculaire pouvant évoluer vers un état d'IC. L'IC se définit comme un état dans lequel le coeur n'est plus capable d'approvisionner suffisamment les organes et cet état s'accompagne souvent de troubles du rythme cardiaque. Le remodelage ventriculaire touche de nombreux gènes codant à la fois pour les voies métaboliques et pour des canaux ioniques favorisant ainsi l'apparition des arythmies responsables de la mort subite des patients atteints d'IC. Comprendre ce passage entre remodelage et IC est crucial afin de pouvoir un jour prévenir l'IC et les complications médicales qui l'accompagnent. Nous nous sommes intéressés aux canaux potassiques dépendants de l'ATP (KATP) car ces canaux ont la capacité de coupler le métabolisme de la cellule à son activité électrique. En effet, les canaux KATP s'ouvrent quand la charge énergétique (rapport ATP/ ADP) de la cellule chute. Dans les cardiomyocytes, l'ouverture des KATP induit une hyperpolarisation de la membrane cellulaire ce qui diminue indirectement la surcharge calcique et de ce fait préserve la cellule. Les canaux KATp sont formés de 4 sous-unités Kir6.x (Kir6.1 ou Kir6.2) formant le pore du canal associées à 4 sous-unités régulatrices SUR. Les propriétés électrophysiologiques ainsi que la sensibilité pharmacologique des canaux KATP dépendent de leur composition et seuls les canaux KATP formés par la sous-unité Kirô.l sont activés par le diazoxyde.Méthodes et résultats. Nous avons d'abord montré dans un modèle in vivo d'IC chez le rat adulte que les sous-unités Kir6.1 et SUR sont surexprimées dans ces conditions pathologiques. Par ailleurs, les cardiomyocytes issus des coeurs infarcis deviennent sensibles au diazoxyde reflétant la surexpression de Kir6.1. Les potentiels d'action qui sont prolongés dans l'IC et qui sont à l'origine d'arythmies majeures sont normalisés par l'ouverture des canaux KATp induite par le diazoxyde. Ainsi, l'ouverture pharmacologique des canaux KATp contribuerait à la cardio-protection. Dans une seconde partie, nous avons déterminé quels étaient les facteurs de transcription responsables de ce changement d'expression des sous-unités formant les KATP. Dans notre modèle, nous avons pu montrer que la surexpression de Kirô.l est due aux facteurs de transcription Fox03 et FoxF2 qui est aussi responsable de la surexpression des sous-unités SUR. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons mis au point un modèle d'IC in vitro en cultivant les cardiomyocytes de rats adultes en présence d'angiotensine II (Angll) ou de TNFa. Ce modèle expérimental nous a non seulement permis de mettre en relation l'importance de L'AnglI et du TNFa sur le remodelage des canaux KATP mais aussi de développer un modèle in vitro présentant les mêmes caractéristiques que le modèle in vivo concernant le remodelage des KATP lors de l'IC. Ce dernier modèle expérimental ouvre des perspectives afin de mieux caractériser les voies de signalisation impliquées dans le remodelage des canaux KATp lors de l'IC.Conclusion. Les canaux KATp subissent un remodelage lors de l'IC et les résultats obtenus montrent le potentiel cardio-protecteur de ces canaux.ABSTRACT :Background and aim. Cardiovascular disease is the leading cause of death in developed countries and heart failure (HF) is the most common. Following myocardial infarction, the heart of the patient undergoes ventricular remodeling which may evolve toward a state of HF. HF is defined as a state in which heart is unable to supply enough blood to organs and this state is often accompanied by cardiac arrhythmias. Ventricular remodeling involves many genes coding for both metabolic enzymes and ion channels. Changes in ion channel expression can promote arrhythmias responsible for sudden death in patients with HF. A better understanding of the transition between remodeling and HF is crucial in order to prevent the complications associated to HF We were interested in ATP-dependent potassium channels (KATp) because they couple cell metabolism to electrical activity of the cell. Indeed, KATP channels open when the energy charge (ratio of ATP / ADP) of the cell collapses. In cardiomyocytes, the opening of KATP channels induces hyper- polanzation of the cell membrane which reduces calcium overload and thereby protects the cell. KATp channels are composed by 4 Kir6.x subumts (Kir6.1 or Kir6.2) forming the pore channel associated with 4 regulatory subunits SUR. The electrophysiological properties as well as pharmacological sensitivity of KATp channels depend on their composition and only KATP channels formed by Kir6.1 subunit are activated by diazoxide.Methods and results. Firstly, using an in vivo model of HF in adult rats, we showed that Kir6.1 and SUR subunits are overexpressed in HF. In addition, cardiomyocytes from post-infarction hearts became sensitive to diazoxide reflecting the overexpression of the Kir6.1 subunit. The opening of KATP by diazoxide tended to reduce the action potential duration (APD) which is extended in HF. This increase in APD is known to be a major source of arrhythmias during HF. Therefore, the opening of KATP channels by diazoxide would be cardio-protective. Secondly, we wanted to determine which transcription factors were responsible for this KATP remodeling. In our model of HF, we showed that overexpression of Kir6.1 is due to the transcription factors Fox03 and FOXF2 which is also responsible for SUR subunits overexpression. Thirdly, we developed an in vitro model of HF by cultivation of adult rat cardiomyocytes in the presence of angiotensin II (Angll) or TNFa. This model is very interesting not only because it underlines the importance of Angll and TNFa in KATp remodeling but also because this in vitro model presents the same KATP remodeling as the in vivo model of HF. These findings show that our in vitro model of HF opens up many possibilities to investigate more precisely the signaling pathways involved in remodeling of the KATP channels in HF.Conclusion. KATP channels undergo remodeling during HF and our results show the cardio¬protective potential of KATP channels in this disease.

Molecular and physiological characterisation of lonotropic receptors in the sacculus in drosophila

Chemosensation is the detection of chemical signals in the environment that enable an animal to make informed decisions about food choice, mate preference or predator detection. Dissecting the molecular and neural mechanisms by which animals detect chemical cues is an important goal towards understanding how they interact with the environment. An attractive system to dissect the mechanisms of chemosensation is the olfactory system. One of the most-investigated olfactory systems is that of Drosophila melanogaster, a model organism that is amenable to a powerful combination of genetic and physiological analyses. Embedded within the antennal olfactory organ of Drosophila is an unusual sensory structure called the sacculus. The sacculus is comprised of three distinct chambers, each lined with several sensilla housing two to three neurons. Previous morphological, anatomical and surgical studies of sacculus neurons have implicated sacculus neurons in chemosensation, hygrosensation and/or thermosensation. While a subset of sacculus neurons have been physiologically characterised as temperature sensors, the role of this organ has remained largely mysterious, due to its inaccessibility to peripheral electrophysiological analysis. Recently a new family of olfactory receptors, the lonotropic Receptors (IRs), was identified. Five IRs are expressed in sacculus neurons providing the first selective molecular markers for these cells. In this thesis I describe the molecular, physiological and anatomical characterisation of these neurons. Genetic labelling of specific populations of sacculus neurons with anatomical (CD8:GFP) reporters has identified neurons in sacculus chambers I and II express IR40a+IR93a together with their co- receptor IR25a, while neurons in chamber III express IR64a with its co-receptor IR8a. Both these sets of neurons project to two distinct glomeruli in the antennal lobe; IR40a neurons project to the column and arm, IR64a neurons project to DC4 and DP1m. Through a live optical imaging screen I showed that these neurons are indeed olfactory and IR64a neurons recognise acidic ligands, while IR40a neurons recognise amine ligands. IR40a and IR64a neurons are in fact composed of anatomically and physiologically distinct subpopulations, strongly implying the existence of other factors that define their functional properties. My thesis identifies the sacculus as a specialised olfactory organ capable of detecting acids and bases, which are of widespread importance to insects. The data from my thesis along with data from other labs show the sacculus is composed of different populations of olfactory sensory neurons and thermosensory neurons. Comparative genomic analysis of sacculus IRs across insects reveals them to be among the most conserved of this receptor repertoire, suggesting that the sacculus represents an evolutionarily ancient insect olfactory acid-base sensor. - La détection des produits chimiques se trouvant dans l'environnement (perception chimiosensorielle) permet à un animal de choisir sa nourriture, son partenaire ou encore d'identifier ses prédateurs. Décortiquer les mécanismes moléculaires et neuronaux grâce auxquels les animaux détectent ces signaux chimiques permet de comprendre comment ces animaux interagissent avec leur environnement. Un système intéressant pour décortiquer ces mécanismes de perception chimiosensorielle est le système olfactif, de la drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre. C'est un animal modèle très utile grâce à la combinaison d'outils génétiques puissants et d'analyses physiologiques facilement réalisables. Dans l'antenne de la drosophile, qui est l'organe olfactif principal de cet animal, se trouve une structure appelée sacculus. Celui-ci est composé de trois chambres distinctes, chacune comprenant plusieurs sensilles à l'intérieur desquelles se trouvent deux à trois neurones. De précédentes études morphologiques et anatomiques des ces neurones ont déterminé qu'ils sont impliqués dans la perception des odeurs, de l'humidité et de la température. Malgré ceci, la fonction principale de cet organe reste largement inconnue, principalement car il est inaccessible aux analyses électrophysiologiques. Récemment, une nouvelle famille de soixante-six récepteurs olfactifs, nommés Récepteurs lonotropiques (IRs), a été découverte chez la drosophile. Cinq IRs sont exprimés dans les neurones du sacculus. Pour la première fois, une sélection de marqueurs moléculaires est disponible pour l'étude de ces cellules. Dans cette thèse, les caractéristiques moléculaires, physiologiques et anatomiques des neurones du sacculus sont décrites. Ces populations de neurones situés dans le sacculus ont été marquées avec des gènes rapporteurs (CD8:GFP). Ceci a montré que les récepteurs IR40a et IR93a sont exprimés ensemble avec le co-récepteur IR25a dans les chambres I et II, tandis que les neurones de la chambre III expriment IR64a avec son co-récepteur IR8a. Ces deux groupes de neurones projettent vers deux glomérules distincts du lobe antennaire : les neurones IR40a projettent vers la column et le arm, alors que les neurones IR64a projettent vers DC4 et DP1m. Un screen d'imagerie optique a démontré que ces neurones sont en effet des neurones olfactifs, et que les neurones IR64a reconnaissent des ligands acides, tandis que les neurones IR40a reconnaissent des ligands aminés. De plus, les neurones IR40a et IR64a sont séparés en sous-populations distinctes anatomiquement et physiologiquement, et d'autres facteurs permettant de définir leurs propriétés fonctionnelles sont probablement impliqués. Cette thèse identifie ainsi le sacculus comme un organe olfactif spécialisé capable de détecter des acides et amines, lesquels sont très importants pour les insectes. Toutes les données collectées durant cette thèse, combinées aux données d'autres laboratoires, montrent que le sacculus est composé de différentes populations de neurones olfactifs et thermosenseurs. Ces IRs sont très conservés parmi les insectes, suggérant que le sacculus représente révolution d'un ancien détecteur olfactif d'acides et de bases chez l'insecte. - Tous les animaux sont capables de percevoir les signaux chimiques dans leur environnement, comme les odeurs ou le goût, via différents organes. L'odorat est le sens qui permet de percevoir les odeurs, et il est implique des neurones olfactifs qui se trouvent dans le nez des mammifères ou les antennes des insectes. La capacité d'un neurone olfactif à détecter une molécule odorante dépend des types de récepteurs olfactifs qu'il exprime. Il existe deux grandes familles de récepteurs qui perçoivent les odeurs : les Récepteurs Olfactifs, ORs, et Récepteurs lonotropiques IRs, qui détectent différents types d'odeurs avec différents mécanismes. Lorsqu'un récepteur reconnaît une molécule odorante, il convertit ce signal en un signal électrique qui est ensuite transmis au centre olfactif dans le cerveau. La drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre, est utilisée comme animal modèle pour étudier l'odorat, parce que son génome entier a été séquencé et que ses gènes sont facilement manipulables. De plus, l'anatomie du système olfactif de la mouche est similaire à celui des mammifères, malgré qu'il possède moins de neurones, ce qui le rend moins complexe. Ma thèse a pour objectif d'étudier les Récepteurs lonotropiques dans un organe spécifique, appelé le sacculus, situé dans les antennes. Les neurones du sacculus exprimant des IRs envoient leurs projections au centre olfactif du cerveau, suggérant que ces neurones perçoivent les odeurs. Une technique d'imagerie optique a été utilisée sur le cerveau de mouches vivantes afin de mesurer la réponse des neurones du le sacculus à différentes odeurs. J'ai démontré que ces récepteurs détectent des acides et des amines, qui sont très importants pour les insectes. Par exemple, les acides se retrouvent dans les fruits mûrs sur lesquels les mouches vont se nourrir, s'accoupler et poser leurs oeufs, et les amines sont souvent produites par des bactéries pouvant être nuisible pour la mouche. La principale découverte de ma thèse est donc l'identification du sacculus comme un organe capable de détecter deux des principales odeurs importantes pour la mouche. Ces récepteurs sont aussi présents dans d'autres insectes où ils jouent peut-être des rôles différents. Les acides et les amines se retrouvent aussi dans les excrétions (comme la sueur ou l'urine) de beaucoup de mammifères, qui pourraient potentiellement être dangereux pour la mouche, mais qui attirent les moustiques se nourrissant de leur sang.

The role of dentritic cells in leishmania infection : use of novel DC lines for the development of monoclonal antibodies

Les cellules dendritiques (DCs) sont des cellules multifonctionnelles qui font le lien entre le sytème immunitaire inné et adaptatif chez les mammifères. Il existe plusieurs sous-types de DCs basés sur leurs fonctions et l'endroit où elles se situent dans le corps. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié le rôle de ces cellules face à une infection parasitaire. La Leishmania est un parasite causant une maladie appelée Leishmaniose, maladie endémique de l'Afrique, de l'Asie et de certaines régions de l'Amérique du Sud. Certaines espèces causent des lésions cutanées, alors que d'autres causent des lésions dans les muqueuses ou dans les organes internes. Le système immunitaire répond en générant une réponse inflammatoire qui élimine l'infection. Lors d'une réponse non-inflammatoire (de type cytokines, chemokines), cela va amener à une persistance du parasite sur le long terme. Les DC s'activant en présence du parasite dans la peau, vont le transporter vers un ganglion. A cet endroit, se trouvent différents sous-types de DC qui ont la particularité de présenter l'antigène (spécifique à la Leishmaniose) aux lymphocytes T, ce qui va alors amener à une réponse immunitaire puissante contre le parasite. Nous avons comparé différentes espèces de Leishmaniose dans leur façon d'activer les DC et différents modèles de souris ont été utilisé dans ce but-là. Les souris du type C57BL/6 sont connues pour être résistantes à L. major et sensibles à L. mexicana, alors qu'au contraire, les souris Balb/c sont connues pour être sensibles à ces deux espèces. En utilisant des parasites fluorescents transgéniques, nous avons comparé ces deux espèces de parasites (L. major et L. mexicana) en recherchant quelles cellules elles sont capables d'infecter in-vivo dans un modèle murin. Le rôle général des DC dans une infection à L. major a déjà été décrit. Dans notre étude, nous avons étudié le besoin en DC CD8a+ dans les ganglions afin d'engendrer une réponse face à une infection à L. major. Les souris qui n'ont pas ce sous-type de DC sont beaucoup plus sensibles à l'infection : elles ont des marqueurs inflammatoires plus bas et des lésions plus grandes. Nous avons également remarqué que les DC CD8a+ jouent un rôle crucial dans une phase plus avancée de l'infection. Dans notre laboratoire, nous avons la chance d'avoir une source illimitée de DCs de sous-type CD8a+ provenant d'une souris génétiquement modifiée par nos soin. Grâce à cela, nous avons utilisé ces cellules CD8a+ pour immuniser des rats afin de produire des anticorps monoclonaux ayant des propriétés spécifiques comme l'identification de protéines uniques présentes à la surface des DC et qui ensuite, modulent une réponse immunitaire in-vivo. Nous sommes actuellement en phase de caractérisation de plus de 750 hybridomes générés dans notre laboratoire. - Les cellules dendritiques (DCs) constituent le lien entre le système inné et adaptatif de la réponse immunitaire, car elles sont capables de présenter l'antigène, de donner la co- stimulation et de relâcher des cytokines et chimokines. Au cours de cette thèse, nous avons exploré différentes familles de DC lors d'infections parasitaires, telles que la Leishmaniose, parasite intracellulaire qui infecte les mammifères. La plupart des lésions cutanées résistantes sont caractérisées par une réponse pro-inflammatoire générée par l'IL-12. A l'inverse, pour la forme non résistante, la réponse est générée par l'IL-4 et l'IL-10, dans les modèles murins vulnérables. L'infection avec Lmajor a été caractérisée chez la souris C57BL/6 (Thl) et chez la souris Balb/c (Th2). Chez la souris C57BL/6 la lésion guérit, alors que chez la souris Balb/c, la lésion est au contraire non-cicatrisante. Nous avons comparé l'activation causée dans l'ensemble des DC par différentes espéces de Leishmania, et plus spécifiquement dans les DC CD8a+ présentes dans les ganglions lymphatiques et leur rôle dans la vulnérabilité à L. major. Ces cellules sont spécialisées dans la présentation croisée d'antigènes exogènes par le CMH-I et le haut taux de production d'IL-12 après activation. En utilisant des DC dérivées de moelle osseuse, nous avons constaté que L. guyanensis V+ (transportant un retrovirus) était le plus efficace pour l'activation des DC in-vitro comparé à L. major, L. mexicana et L. guyanensis (V-). Toutefois, in-vivo, les souris infectées avec L. major ont vu la taille de leur ganglions lymphatiques drainants augmentée, 3-6 semaines après l'infection dans les deux espèces de souris (les C57BL/6 résistantes et les Balb/c sensibles). En utilisant un parasite fluorescent transgénique, nous avons trouvé que les souris C57BL/6 sensibles à Lmexicana ont un nombre plus important de cellules Β infectées et un plus petit nombre de DC dérivées des monocytes inflammatoires, comparé au souris infectées avec L. major. Les conséquences de ces observations sont encore à l'étude. Des souris déficientes en CD8ct+DC et CD103+ sont plus sensibles à L. major que les souris WT: leurs lésions sont plus grandes et la charge parasitaire est plus importante. Nous avons généré une chimère de moelles osseuse CD11-DTR et Batf3-/- en mélangeant les moelles de ces deux souris, afin de déterminer le temps après infection où le manque de DC's CD8a+ contribue le plus à l'augmentation de la vulnérabilité chez la souris KO. Ces souris produisent plus d'IgG1 et IgE, font une réponse Th2 plus forte et Thl moins forte. Nous avons constaté que les souris déficientes en DC CD8a+ au début de la réponse immunitaire adaptive (trois semaines après injection) maintiennent un haut taux de lésions de grande taille, semblable à celui des souris chez qui les cellules ont été déplétées avant l'injection. Cela indique que les DC CD8a+ sont nécessaires pour l'efficacité de l'immunité dans la phase chronique de l'infection à L. major. Parallèlement à cela, nous avons aussi commencé une génération d'anticorps monoclonaux dirigés contre les DC CD8a+ activés en utilisant des souches établies dans notre laboratoire. En partant d'une librairie de 763 hybridomes, nous avons identifié plusieurs clones dignes d'intérêt avec une capacité fonctionnelle à moduler la prolifération et la sécrétion de cytokines des cellules T, ainsi que les molécules de co-stimulation présentes à la surface des DC activées elle-même. - Dendritic cells (DCs) are the bridge between the innate and the adaptive arms of the immune systems. They are professional antigen presentation cells and have important cytokine/chemokine release functions. In this dissertation we have focussed on the study of the different subsets of DCs in parasitic infection immunity. Leishmania are intra-cellular parasites of many different species that infect mammals. Most cutaneous lesions that are self- healing are characterized with a pro-inflammatory response with IL-12 while high levels of cytokines such as IL-4 and IL-10 characterized in susceptible mouse models. In mice L. major infection has been well characterized in C57BL/6 mice (Thl) that form healing lesions while Balb/c mice (Th2) form non-healing lesions. This thesis is focussed on comparing DC activation at large by different strains of Leishmania and more specifically, dLN resident CD8a+ DCs and their role in L. major susceptibility. This subset is specialized in cross- presentation of exogenous antigens in the MHC-I pathway and produce high levels of EL-12. Using bone marrow derived DCs we found that L. guyanensis V+ (carrying a retro-virus) was the most efficient at activating DCs in-vitro. In-vivo however L. major infected mice had the largest dLNs 3-6 weeks after infection in both genetically resistant C57BL/6 and susceptible Balb/c mice. Using transgenic fluorescent parasites, we found that C57BL/6 mice which are susceptible to L. mexicana had more number of infected Β cells and fewer number of infected inflammatory monocyte derived DCs in contrast to L. major infection. Using mice deficient in CD8a+ DCs, we found that these mice were more susceptible to L. major than their WT counterparts. They made larger lesions, had higher parasite burdens, higher levels of Th2 indicating immunolgloblins as measured by higher serie IgE levels and lower CD4+ IFNy+ cells. A mixed bone marrow chimera system of CDllc-DTR and Batf3~'~ was generated to determine the time point at which the lack of CD8a+ DCs most contributes to the increased susceptibility in KO mice. We found that mice depleted of CD8a+ DCs at the advent of the adaptive response (3 weeks after infection) maintained the significantly higher lesion size similar to mice whose cells were depleted from the onset of infection. This indicates that CD8a+ DCs are required for effective immunity in the chronic phase of L. major infection. We also began the generation of a valuable tool of monoclonal antibodies against activated CD8a+ DCs using our in-house DC line. From a library of 763 hybridomas we have identified several interesting clones with a functional ability to modulate Τ cell proliferation and cytokine secretion as well as down-modulating co-stimulatory molecules on activated DC cells themselves.