The genetic structure of metapopulations and conservation biology.

A range of models describing metapopulations is surveyed and their implications for conservation biology are described. An overview of the use of both population genetic elements and demographic theory in metapopulation models is given. It would appear that most of the current models suffer from either the use of over-simplified demography or the avoidance of selectively important genetic factors. The scale for which predictions are made by the various models is often obscure. A conceptual framework for describing metapopulations by utilising the concept of fitness of local populations is provided and some examples are given. The expectation that any general theory, such as that of metapopulations, can make useful predictions for particular problems of conservation is examined and compared with the prevailing 'state of the art' recommendations.

The biology of cancer stem cells : part 1: nuclear translocation of CD44 : part 2: IMP2 in glioblastoma cancer stem cells

SummaryCancer stem cells (CSC) are poorly differentiated, slowly proliferating cells, with high tumorigenic potential. Some of these cells, as it has been shown in leukemia, evade chemo- and radiotherapy and recapitulate the tumor composed of CSC and their highly proliferative progeny. Therefore, understanding the molecular biology of those cells is crucial for improvement of currently used anti-cancer therapies.This work is composed of two CSC-related projects. The first deals with CD44, a frequently used marker of CSC; the second involves Imp2 and its role in CSC bioenergetics. PART 1. CD44 is a multifunctional transmembrane protein involved in migration, homing, adhesion, proliferation and survival. It is overexpressed in many cancers and its levels are correlated with poor prognosis. CD44 is also highly expressed by CSC and in many malignancies it is used for CSC isolation.In the present work full-lenght CD44 nuclear localization was studied, including the mechanism of nuclear translocation and its functional role in the nucleus. Full-length CD44 can be found in nuclei of various cell types, regardless of their tumorigenic potential. For nuclear localization, CD44 needs to be first inserted into the cell membrane, from which it is transported via the endocytic pathway. Upon binding to transportinl it is translocated to the nucleus. The nuclear localization signal recognized by transportinl has been determined as the first 20 amino acids of the membrane proximal intracellular domain. Nuclear export of CD44 is facilitated by exportin Crml. Investigation of the function of nuclear CD44 revealed its implication in de novo RNA synthesis.PART 2. Glioblastoma multiforme is the most aggressive and most frequent brain malignancy. It was one of the first solid tumors from which CSC have been isolated. Based on the similarity between GBM CSC and normal stem cells expression of an oncofetal mRNA binding protein Imp2 has been investigated.Imp2 is absent in normal brain as well as in low grade gliomas, but is expressed in over 75% GBM cases and its expression is higher in CSC compared to their more differentiated counterparts. Analysis of mRNA transcripts bound by Imp2 and its protein interactors revealed that in GBM CSC Imp2 may be implicated in mitochondrial metabolism. Indeed, shRNA mediated silencing of protein expression led to decreased mitochondrial activity, decreased oxygen consumption and decreased activity of respiratory chain protein complex I. Moreover, lack of Imp2 severely affected self-renewal and tumorigenicity of GBM CSC. Experimental evidence suggest that GBM CSC depend on mitochondrial oxidative phosphorylation as an energy producing pathway and that Imp2 is a novel regulator of this pathway.RésuméLes cellules cancéreuses souches sont des cellules peu différentiées, à proliferation lente et hautement tumorigénique. Ces cellules sont radio-chimio résistantes et sont capable reformer la tumeur dans sont intégralité, reproduisant l'hétérogénéité cellulaire présent dans la tumeur d'origine. Pour améliorer les therapies antitumorales actuelles il est crucial de comprendre les mécanismes moléculaires qui caractérisent cette sous-population de cellules hautement malignes.Ce travail de thèse se compose de deux projets s'articulant autour du même axe :Le CD44 est une protéine multifonctionnelle et transmembranaire très souvent utilisée comme marqueur de cellules souches tumorales dans différents cancers. Elle est impliquée dans la migration, l'adhésion, la prolifération et la survie des cellules. Lors de ce travail de recherche, nous nous sommes intéressés à la localisation cellulaire du CD44, ainsi qu'aux mécanismes permettant sa translocation nucléaire. En effet, bien que principalement décrit comme un récepteur de surface transmembranaire, le CD44 sous sa forme entière, non clivée en peptides, peut également être observé à l'intérieur du noyau de diverses cellules, quel que soit leur potentiel tumorigénique. Pour passer ainsi d'un compartiment cellulaire à un autre, le CD44 doit d'abord être inséré dans la membrane plasmique, d'où il est transporté par endocytose jusqu'à l'intérieur du cytoplasme. La transportai permet ensuite la translocation nucléaire du CD44 via une « séquence signal » contenue dans les 20 acides aminés du domaine cytoplasmique qui bordent la membrane. A l'inverse, le CD44 est exporté du noyau grâce à l'exportin Crml. En plus des mécanismes décrits ci-dessus, cette étude a également mis en évidence l'implication du CD44 dans la synthèse des ARN, d'où sa présence dans le noyau.Le glioblastome est la plus maligne et la plus fréquente des tumeurs cérébrales. Dans ce second projet de recherche, le rôle de IMP2 dans les cellules souches tumorales de glioblastomes a été étudié. La présence de cette protéine oncofoetale a d'abord été mise en évidence dans 75% des cas les plus agressifs des gliomes (grade IV, appelés glioblastomes), tandis qu'elle n'est pas exprimée dans les grades I à III de ces tumeurs, ni dans le cerveau sain. De plus, IMP2 est apparue comme étant davantage exprimée dans les cellules souches tumorales que dans les cellules déjà différenciées. La baisse de l'expression de IMP2 au moyen de shRNA a résulté en une diminution de l'activité mitochondriale, en une réduction de la consommation d'oxygène ainsi qu'en une baisse de l'activité du complexe respiratoire I.L'inhibition de IMP2 a également affecté la capacité de renouvellement de la population des cellules souches tumorales ainsi que leur aptitude à former des tumeurs.Lors de ce travail de thèse, une nouvelle fonction d'un marqueur de cellules souches tumorales a été mise en évidence, ainsi qu'un lien important entre la bioénergétique de ces cellules et l'expression d'une protéine oncofoetale.

Dpp/BMP signaling in flies: From molecules to biology.

Decapentaplegic (Dpp), the fly homolog of the secreted mammalian BMP2/4 signaling molecules, is involved in almost all aspects of fly development. Dpp has critical functions at all developmental stages, from patterning of the eggshell to the determination of adult intestinal stem cell identity. Here, we focus on recent findings regarding the transcriptional regulatory logic of the pathway, on a new feedback regulator, Pentagone, and on Dpp's roles in scaling and growth of the Drosophila wing.

Niche, distribution and global change : modeling insights into biogeography and conservation biology Olivier Broennimann

RESUME Les évidences montrant que les changements globaux affectent la biodiversité s'accumulent. Les facteurs les plus influant dans ce processus sont les changements et destructions d'habitat, l'expansion des espèces envahissantes et l'impact des changements climatiques. Une évaluation pertinente de la réponse des espèces face à ces changements est essentielle pour proposer des mesures permettant de réduire le déclin actuel de la biodiversité. La modélisation de la répartition d'espèces basée sur la niche (NBM) est l'un des rares outils permettant cette évaluation. Néanmoins, leur application dans le contexte des changements globaux repose sur des hypothèses restrictives et demande une interprétation critique. Ce travail présente une série d'études de cas investiguant les possibilités et limitations de cette approche pour prédire l'impact des changements globaux. Deux études traitant des menaces sur les espèces rares et en danger d'extinction sont présentées. Les caractéristiques éco-géographiques de 118 plantes avec un haut degré de priorité de conservation sont revues. La prévalence des types de rareté sont analysées en relation avec leur risque d'extinction UICN. La revue souligne l'importance de la conservation à l'échelle régionale. Une évaluation de la rareté à échelle globale peut être trompeuse pour certaine espèces car elle ne tient pas en compte des différents degrés de rareté que présente une espèce à différentes échelles spatiales. La deuxième étude test une approche pour améliorer l'échantillonnage d'espèces rares en incluant des phases itératives de modélisation et d'échantillonnage sur le terrain. L'application de l'approche en biologie de la conservation (illustrée ici par le cas du chardon bleu, Eryngium alpinum), permettrait de réduire le temps et les coûts d'échantillonnage. Deux études sur l'impact des changements climatiques sur la faune et la flore africaine sont présentées. La première étude évalue la sensibilité de 227 mammifères africains face aux climatiques d'ici 2050. Elle montre qu'un nombre important d'espèces pourrait être bientôt en danger d'extinction et que les parcs nationaux africains (principalement ceux situé en milieux xériques) pourraient ne pas remplir leur mandat de protection de la biodiversité dans le futur. La seconde étude modélise l'aire de répartition en 2050 de 975 espèces de plantes endémiques du sud de l'Afrique. L'étude propose l'inclusion de méthodes améliorant la prédiction des risques liés aux changements climatiques. Elle propose également une méthode pour estimer a priori la sensibilité d'une espèce aux changements climatiques à partir de ses propriétés écologiques et des caractéristiques de son aire de répartition. Trois études illustrent l'utilisation des modèles dans l'étude des invasions biologiques. Une première étude relate l'expansion de la laitue sáuvage (Lactuca serriola) vers le nord de l'Europe en lien avec les changements du climat depuis 250 ans. La deuxième étude analyse le potentiel d'invasion de la centaurée tachetée (Centaures maculosa), une mauvaise herbe importée en Amérique du nord vers 1890. L'étude apporte la preuve qu'une espèce envahissante peut occuper une niche climatique différente après introduction sur un autre continent. Les modèles basés sur l'aire native prédisent de manière incorrecte l'entier de l'aire envahie mais permettent de prévoir les aires d'introductions potentielles. Une méthode alternative, incluant la calibration du modèle à partir des deux aires où l'espèce est présente, est proposée pour améliorer les prédictions de l'invasion en Amérique du nord. Je présente finalement une revue de la littérature sur la dynamique de la niche écologique dans le temps et l'espace. Elle synthétise les récents développements théoriques concernant le conservatisme de la niche et propose des solutions pour améliorer la pertinence des prédictions d'impact des changements climatiques et des invasions biologiques. SUMMARY Evidences are accumulating that biodiversity is facing the effects of global change. The most influential drivers of change in ecosystems are land-use change, alien species invasions and climate change impacts. Accurate projections of species' responses to these changes are needed to propose mitigation measures to slow down the on-going erosion of biodiversity. Niche-based models (NBM) currently represent one of the only tools for such projections. However, their application in the context of global changes relies on restrictive assumptions, calling for cautious interpretations. In this thesis I aim to assess the effectiveness and shortcomings of niche-based models for the study of global change impacts on biodiversity through the investigation of specific, unsolved limitations and suggestion of new approaches. Two studies investigating threats to rare and endangered plants are presented. I review the ecogeographic characteristic of 118 endangered plants with high conservation priority in Switzerland. The prevalence of rarity types among plant species is analyzed in relation to IUCN extinction risks. The review underlines the importance of regional vs. global conservation and shows that a global assessment of rarity might be misleading for some species because it can fail to account for different degrees of rarity at a variety of spatial scales. The second study tests a modeling framework including iterative steps of modeling and field surveys to improve the sampling of rare species. The approach is illustrated with a rare alpine plant, Eryngium alpinum and shows promise for complementing conservation practices and reducing sampling costs. Two studies illustrate the impacts of climate change on African taxa. The first one assesses the sensitivity of 277 mammals at African scale to climate change by 2050 in terms of species richness and turnover. It shows that a substantial number of species could be critically endangered in the future. National parks situated in xeric ecosystems are not expected to meet their mandate of protecting current species diversity in the future. The second study model the distribution in 2050 of 975 endemic plant species in southern Africa. The study proposes the inclusion of new methodological insights improving the accuracy and ecological realism of predictions of global changes studies. It also investigates the possibility to estimate a priori the sensitivity of a species to climate change from the geographical distribution and ecological proprieties of the species. Three studies illustrate the application of NBM in the study of biological invasions. The first one investigates the Northwards expansion of Lactuca serriola L. in Europe during the last 250 years in relation with climate changes. In the last two decades, the species could not track climate change due to non climatic influences. A second study analyses the potential invasion extent of spotted knapweed, a European weed first introduced into North America in the 1890s. The study provides one of the first empirical evidence that an invasive species can occupy climatically distinct niche spaces following its introduction into a new area. Models fail to predict the current full extent of the invasion, but correctly predict areas of introduction. An alternative approach, involving the calibration of models with pooled data from both ranges, is proposed to improve predictions of the extent of invasion on models based solely on the native range. I finally present a review on the dynamic nature of ecological niches in space and time. It synthesizes the recent theoretical developments to the niche conservatism issues and proposes solutions to improve confidence in NBM predictions of the impacts of climate change and species invasions on species distributions.

Pathology and biology of peripheral T-cell lymphomas.

Peripheral T-cell lymphomas (PTCLs) represent a heterogeneous group of more than 20 neoplastic entities derived from mature T cells and natural killer (NK) cells involved in innate and adaptive immunity. With few exceptions these malignancies, which may present as disseminated, predominantly extranodal or cutaneous, or predominantly nodal diseases, are clinically aggressive and have a dismal prognosis. Their diagnosis and classification is hampered by several difficulties, including a significant morphological and immunophenotypic overlap across different entities, and the lack of characteristic genetic alterations for most of them. Although there is increasing evidence that the cell of origin is a major determinant for the delineation of several PTCL entities, however, the cellular derivation of most entities remains poorly characterized and/or may be heterogeneous. The complexity of the biology and pathophysiology of PTCLs has been only partly deciphered. In recent years, novel insights have been gained from genome-wide profiling analyses. In this review, we will summarize the current knowledge on the pathobiological features of peripheral NK/T-cell neoplasms, with a focus on selected disease entities manifesting as tissue infiltrates primarily in extranodal sites and lymph nodes.

Biologie oxydative et implications cliniques du peroxynitrite [Oxidative biology and clinical implications of peroxynitrite]

Peroxynitrite is a strong biological oxidant formed from the reaction between two free radicals, superoxide and nitric oxide. It inflicts serious damages to most biomolecules, including proteins, lipids and nucleic acids, either through direct oxidation or through the secondary generation of highly reactive free radicals. When such damage reaches a critical threshold, cells eventually die by necrosis or apoptosis. An excessive production of peroxynitrite is instrumental in the development of organ damage and dysfunction in conditions such as circulatory shock and ischemia-reperfusion. In such circumstances, various synthetic metalloporphyrins, able to degrade peroxynitrite, disclose important beneficial effects in animal models, and might therefore represent novel pharmacological agents in the future.

Integrative taxonomy of the Formica rufa group (Hymenoptera: Formicidae)

RESUME :Les fourmis du groupe Formica rufa, ou fourmis des bois, ainsi appelées en raison de leur préférence pour les écosystèmes forestiers, sont parmi les fourmis les plus fascinantes et les plus étudiées d'Europe. Ces fourmis jouent un rôle clé dans la plupart des forêts dans lesquelles elles vivent et sont considérées comme étant les meilleurs bioindicateurs de ces milieux. Pour ces raisons, les fourmis des bois sont protégées par la loi dans de nombreux pays européens, y compris en Suisse. Cependant, malgré leur protection, ces fourmis sont inscrites sur la liste rouge des espèces menacées dans plusieurs pays d'Europe et il est donc indispensable de bien les connaître afin de mieux les protéger.À l'heure actuelle, on considère que le groupe Formica rufa est composé de six espèces distinctes : F. rufa, F. polyctena, F. lugubris, F. paralugubris, F. aquilonia et F. pratensis. Toutefois, malgré la grande quantité d'études effectuées sur ces espèces, la systématique et l'identification des fourmis des bois sont toujours sujettes à discussion. Ceci est essentiellement dû au fait que ces espèces sont morphologiquement similaires et qu'elles sont parfois capables de s'hybrider ou de former des colonies mixtes.Une des conditions fondamentales pour toute étude en biologie de la conservation est l'identification correcte des espèces à protéger. Avec cette étude, nous désirons donc dénouer les problèmes liés à la systématique des fourmis des bois et analyser la diversité de ces espèces en adoptant une approche multidisciplinaire.Nous avons d'abord étudié la distribution des espèces jumelles F. lugubris et F. paralugubris dans les Álpes italiennes en re-analysant l'une des plus grandes collections de références sur ces espèces, déposée à l'Université de Pavie, Italie, et en récoltant de nouveaux échantillons sur le terrain. Nos analyses ont montré que F, paralugubris, décrite récemment et souvent «oubliée »par les chercheurs, est bien présente dans les Alpes et vit souvent en sympathie avec F. lugubris. Ensuite nous avons développé un outil moléculaire basé sur l'ADN mitochondrial pour une identification rapide et efficace de ces deux espèces. Au vu des bons résultats, nous avons étendu nos analyses génétiques (microsatellites) à toutes les espèces du groupe F. rufa, ce qui nous a permis de montrer que les outils moléculaires sont très efficaces pour identifier ces fourmis. En outre, nos analyses ont mis en évidence la présence d'une nouvelle espèce cryptique (appelée F. lugubris-X) au sein du Parc National Suisse. L'existence d'une nouvelle espèce peut avoir une grande influence sur les projets de conservation en faveur de ces espèces. Nous avons donc décidé de confirmer ce résultat avec des analyses comportementales et des analyses chimiques basées sur les phéromones sexuelles des différentes espèces, y compris F. lugubris-X. Les deux approches confirment nos données génétiques et indiquent que F. lugubris-X représente bel et bien une nouvelle espèce de fourmis des bois dans les Alpes Suisses.Les résultats de cette étude ont une grande importance du point de vue de la biodiversité. En plus, ils livrent aux futurs chercheurs des outils fiables pour l'identification des fourmis des bois et ouvrent de captivantes perspectives pour une meilleure protection de ces insectes et, par conséquent, de nos écosystèmes forestiers. .Abstract :Mound building red wood ants (species of the Formica rufa group) belong to one of the most studied groups of ants in Europe and have fundamental roles and positive effects in forested habitats of the northern hemisphere. In addition, they are considered among the most promising bioindicators of forest ecosystems. Because of their importance, these ants are protected by law in many European countries, including Switzerland. However, despite this protection, they are included on the red list of threatened species edited by the International Union for Conservation of Nature (IUCN) and on the red list of some particular countries like Switzerland. Because of their similar morphology and a high intraspecific variability, the morphological identification of these species can be quite complicated. In addition, they are sometimes able to hybridize or to form mixed colonies. Consequently, the taxonomy of this group of ants has been much debated during the past decades. Based on a phylogenetic study, today the group is considered to count six species in Europe: F. rufa, F. po/yctena, F. lugubris, F. paralugubris, F. aquilonia and F. pratensis. Nevertheless, the taxonomy of the group is often neglected mainly due to the lack of reliable and easy to use identification methods.Considering the importance of correct species assessment in conservation biology, in this study we want to disentangle the taxonomical difficulties within the Formica rufa group and to clarify the diversity of these protected ants, by using an integrative approach.We first analyzed the distribution of .the sibling species F. lugubris and F. paralugubris in the Italian Alps by collecting new samples on the field and by examining one of the major red wood ant collections, which is deposited at the University of Pavia, Italy. After that, we developed a molecular tool based on mitochondria) DNA, which provides a reliable and easy-to-use technique for the identification of F. lugubris and F. paralugubris. Afterwards, we extended the use of molecular markers for species identification to the whole F. rufa group and made a microsatellite analysis. Results confirm that molecular markers are consistent tools for species identification and that the six known species represent six different genetic pools. In addition, genetic data highlighted the existence of a new cryptic species in the Swiss Alps, called Formica lugubris-X.The presence of a new species can have a great influence on future conservation plans in favour of these protected ants and consequently for forested habitats. We therefore completed molecular data by behavioural (pupae recognition) and chemical analyses based on six pheromones of the entire F. rufa group. Both approaches are in accordance to genetic results and confirm that F. lugubris-X really represents a new cryptic species of red wood ant within the Swiss National Park (Eastern Swiss Alps).Results obtained in this study have a great importance in terms of biodiversity. Moreover, they provide important taxonomical information, reliable tools for species identifications and future perspectives for a consequent conservation of red wood ant species.

Barn Owl (Tyto alba) breeding biology in relation to breeding season climate

Winter weather has a strong influence on Barn Owl (Tyto alba) breeding biology. Here, we analyzed the impacts of weather conditions on reproductive performance during the breeding season using data collected over 22 years in a Swiss Barn Owl population. Variations in rain and temperature during the breeding season played an important role in within-year variation in Barn Owl reproduction. An increase in rainfall during the period from 4 to 2 weeks preceding egg laying had a positive effect on clutch size. In contrast, fledgling body mass was negatively influenced by rainfall during the 24 h preceding the measurements. Finally, ambient temperature during the rearing period was positively associated with brood size at fledging. In conclusion, weather conditions during the breeding season place constraints on Barn Owl reproduction.

Hypocretin (orexin) biology and the pathophysiology of narcolepsy with cataplexy.

The discovery of hypocretins (orexins) and their causal implication in narcolepsy is the most important advance in sleep research and sleep medicine since the discovery of rapid eye movement sleep. Narcolepsy with cataplexy is caused by hypocretin deficiency owing to destruction of most of the hypocretin-producing neurons in the hypothalamus. Ablation of hypocretin or hypocretin receptors also leads to narcolepsy phenotypes in animal models. Although the exact mechanism of hypocretin deficiency is unknown, evidence from the past 20 years strongly favours an immune-mediated or autoimmune attack, targeting specifically hypocretin neurons in genetically predisposed individuals. These neurons form an extensive network of projections throughout the brain and show activity linked to motivational behaviours. The hypothesis that a targeted immune-mediated or autoimmune attack causes the specific degeneration of hypocretin neurons arose mainly through the discovery of genetic associations, first with the HLA-DQB1*06:02 allele and then with the T-cell receptor α locus. Guided by these genetic findings and now awaiting experimental testing are models of the possible immune mechanisms by which a specific and localised brain cell population could become targeted by T-cell subsets. Great hopes for the identification of new targets for therapeutic intervention in narcolepsy also reside in the development of patient-derived induced pluripotent stem cell systems.

The Waddlia genome: a window into chlamydial biology.

Growing evidence suggests that a novel member of the Chlamydiales order, Waddlia chondrophila, is a potential agent of miscarriage in humans and abortion in ruminants. Due to the lack of genetic tools to manipulate chlamydia, genomic analysis is proving to be the most incisive tool in stimulating investigations into the biology of these obligate intracellular bacteria. 454/Roche and Solexa/Illumina technologies were thus used to sequence and assemble de novo the full genome of the first representative of the Waddliaceae family, W. chondrophila. The bacteria possesses a 2'116'312 bp chromosome and a 15'593 bp low-copy number plasmid that might integrate into the bacterial chromosome. The Waddlia genome displays numerous repeated sequences indicating different genome dynamics from classical chlamydia which almost completely lack repetitive elements. Moreover, W. chondrophila exhibits many virulence factors also present in classical chlamydia, including a functional type III secretion system, but also a large complement of specific factors for resistance to host or environmental stresses. Large families of outer membrane proteins were identified indicating that these highly immunogenic proteins are not Chlamydiaceae specific and might have been present in their last common ancestor. Enhanced metabolic capability for the synthesis of nucleotides, amino acids, lipids and other co-factors suggests that the common ancestor of the modern Chlamydiales may have been less dependent on their eukaryotic host. The fine-detailed analysis of biosynthetic pathways brings us closer to possibly developing a synthetic medium to grow W. chondrophila, a critical step in the development of genetic tools. As a whole, the availability of the W. chondrophila genome opens new possibilities in Chlamydiales research, providing new insights into the evolution of members of the order Chlamydiales and the biology of the Waddliaceae.