Role of Notch signalling in intestinal epithelium

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

Azithromycin inhibits expression of the GacA-dependent small RNAs RsmY and RsmZ in Pseudomonas aeruginosa.

Azithromycin at clinically relevant doses does not inhibit planktonic growth of the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa but causes markedly reduced formation of biofilms and quorum-sensing-regulated extracellular virulence factors. In the Gac/Rsm signal transduction pathway, which acts upstream of the quorum-sensing machinery in P. aeruginosa, the GacA-dependent untranslated small RNAs RsmY and RsmZ are key regulatory elements. As azithromycin treatment and mutational inactivation of gacA have strikingly similar phenotypic consequences, the effect of azithromycin on rsmY and rsmZ expression was investigated. In planktonically growing cells, the antibiotic strongly inhibited the expression of both small RNA genes but did not affect the expression of the housekeeping gene proC. The azithromycin treatment resulted in reduced expression of gacA and rsmA, which are known positive regulators of rsmY and rsmZ, and of the PA0588-PA0584 gene cluster, which was discovered as a novel positive regulatory element involved in rsmY and rsmZ expression. Deletion of this cluster resulted in diminished ability of P. aeruginosa to produce pyocyanin and to swarm. The results of this study indicate that azithromycin inhibits rsmY and rsmZ transcription indirectly by lowering the expression of positive regulators of these small RNA genes.

Role of Notch signaling in the skin and cornea

Résumé : La voie de signalisation Notch est essentielle pour la différentiation de l'épiderme lors du développement embryonnaire de la peau. Il a été démontré que l'inactivation de Notch1 dans la peau de souris conduit à une hyperplasie de l'épiderme ainsi qu'à la formation subséquente de carcinomes basocellulaires ainsi que de plaques cornéennes. L'inactivation de Notch1 dans la cornée combinée à des lésions mécaniques démontre que les cellules progénitrices de la cornée se différentient en un épithélium hyperplasique et kératinisé comme la peau. Ce changement de destinée cellulaire conduit à une cécité cornéenne et implique des processus non-autonomes aux cellules épithéliales, caractérisés par la sécrétion de FGF-2 par l'épithélium Notch1-/- suivi d'une vascularisation et d'un remaniement du stroma sous-jacent. La déficience en vitamine A est connu comme cause de lésions cornéennes humaines (xérophtalmie sévère). En accord, nous avons trouvé que la signalisation Notch1 était liée au métabolisme de la vitamine A par la régulation de l'expression de CRBP1, nécessaire pour générer un pool de rétinol intracellulaire. La perte de Notch1 dans l'épiderme, l'autre récepteur de la famille présent dans la peau marine, ne conduit pas à un phénotype manifeste. Cependant, l'inactivation dans l'épiderme de Notch1 et Notch2 ensemble, ou de RBP-J, induit une dermatite atopique (DA) sévère chez les souris. De même, les patients souffrants de DA mais pas ceux souffrant de psoriasis ou de lichen plan, ont une réduction marquée de l'expression des récepteurs Notch dans la peau. La perte de Notch dans les keratinocytes conduit à une activation de la voie NF-κB, ce qui ensuite induit la production de TSLP, une cytokine profondément impliquée dans la pathogenèse de la DA. Nous démontrons génétiquement que TSLP est responsable de la DA ainsi que du développent d'un syndrome myéloprolifératif non-autonome aux cellules induit par le G-CSF. Cependant, ces souris avec une inactivation dans l'épiderme de Notch1 et Notch2 et aussi incapables de répondre au TSLP développent des tumeurs invasive sévères caractérisées par une haute activité de signalisation ß-catenin. TSLPR est identifié comme un potentiel suppresseur de tumeur non-autonome aux cellules tumorales; la transplantation de cellules hématopoïétiques TSLPR-/- dans des souris déficientes pour Notch est suffisant pour causer des tumeurs. Summary : The Notch pathway is essential for proper epidermal differentiation during embryonic skin development. It has previously been demonstrated that Notch1 inactivation in marine skin results in epidermal hyperplasia and subsequent formation of basal cell carcinoma-like (BCC-like) tumors as well as corneal plaques. Inducible ablation of Notch1 in the cornea combined with mechanical wounding show that Notch1 deficient corneal progenitor cells differentiate into a hyperplasic, keratinized, skin-like epithelium. This cell fate switch leads to corneal blindness and involves cell non-autonomous processes, characterized by secretion of FGF-2 through Notch1-/- epithelium followed by vascularisation and remodelling of the underlying stroma. Vitamin A deficiency is known to induce a similar corneal defect in humans (severe xerophthalmia). Accordingly, we found that Notch1 signaling is linked to vitamin A metabolism by regulating the expression of CRBP1, required to generate a pool of intracellular retinol. Epidermal loss of Notch2, the other Notch receptor present in marine skin, doesn't lead to any overt phenotypes. However, postnatal epidermis-specific inactivation of both Notch1 and Notch2, or of RBP-J, induces the development of a severe form of atopic dermatitis (AD) in mice. Likewise, patients suffering from AD, but not psoriasis or lichen planas, have a marked reduction of Notch receptor expression in the skin. Loss of Notch in keratinocytes leads to an activation of NF-κB signaling which in turn induces the production of Thymic stromal lymphopoietin (TSLP), a cytokine deeply implicated in the pathogenesis of AD. We genetically demonstrate that TSLP is responsible for AD as well as the development of a cell non-autonomous G-CSF induced myeloproliferative disorder (MPD) in mice. However, these mice with conditional epidermal inactivation of Notch1 and Notch2 as well as incapable to respond to TSLP develop severe invasive tumors characterized by high ß-catenin signaling activity. TSLPR is identified as a potential cell non-autonomous tumor suppressor; transplantation of TSLPR-/- hematopoietic cells into epidermal Notch deficient mice is sufficient to cause tumors.

GLP-1 protects beta-cells against apoptosis by enhancing the activity of an IGF-2/IGF-1 receptor autocrine loop

GLP-1 protects β-cells against apoptosis by still incompletely understood mechanisms. In a recent study, we searched for novel anti-apoptotic pathways by performing comparative transcriptomic analysis of islets from Gipr-/-;Glp-1r-/- mice, which show increased susceptibility to cytokine-induced apoptosis. We observed a strong reduction in IGF-1R expression in the knockout islets suggesting a link between the gluco-incretin and IGF-1R signaling pathways. Using MIN6 and primary islet cells, we demonstrated that GLP-1 strongly stimulates IGF-1R expression and that activation of the IGF-1R/Akt signaling pathway required active secretion of IGF-2 by the β-cells. We showed that inactivation of the IGF-1 receptor gene in β-cells or preventing its up-regulation by GLP-1, as well as suppressing IGF-2 expression or action, blocked the protective effect of GLP-1 against cytokine-induced apoptosis. Thus, an IGF-2/IGF-1 receptor autocrine loop operates in β-cells and GLP-1 increases its activity by enhancing IGF-1R expression and by stimulating IGF-2 secretion. This mechanism is required for GLP-1 to protect β-cells against apoptosis.

Phosphorylation of Phytochrome B Inhibits Light-Induced Signaling via Accelerated Dark Reversion in Arabidopsis.

The photoreceptor phytochrome B (phyB) interconverts between the biologically active Pfr (λmax = 730 nm) and inactive Pr (λmax = 660 nm) forms in a red/far-red-dependent fashion and regulates, as molecular switch, many aspects of light-dependent development in Arabidopsis thaliana. phyB signaling is launched by the biologically active Pfr conformer and mediated by specific protein-protein interactions between phyB Pfr and its downstream regulatory partners, whereas conversion of Pfr to Pr terminates signaling. Here, we provide evidence that phyB is phosphorylated in planta at Ser-86 located in the N-terminal domain of the photoreceptor. Analysis of phyB-9 transgenic plants expressing phospho-mimic and nonphosphorylatable phyB-yellow fluorescent protein (YFP) fusions demonstrated that phosphorylation of Ser-86 negatively regulates all physiological responses tested. The Ser86Asp and Ser86Ala substitutions do not affect stability, photoconversion, and spectral properties of the photoreceptor, but light-independent relaxation of the phyB(Ser86Asp) Pfr into Pr, also termed dark reversion, is strongly enhanced both in vivo and in vitro. Faster dark reversion attenuates red light-induced nuclear import and interaction of phyB(Ser86Asp)-YFP Pfr with the negative regulator PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR3 compared with phyB-green fluorescent protein. These data suggest that accelerated inactivation of the photoreceptor phyB via phosphorylation of Ser-86 represents a new paradigm for modulating phytochrome-controlled signaling.

The β-sliding clamp directs the localization of HdaA to the replisome in Caulobacter crescentus.

The initiation of chromosome replication is tightly regulated in bacteria to ensure that it takes place only once per cell cycle. In many proteobacteria, this process requires the ATP-bound form of the DnaA protein. The regulatory inactivation of DnaA (RIDA) facilitates the conversion of DnaA-ATP into replication-inactive DnaA-ADP, thereby preventing overinitiation. Homologues of the HdaA protein, together with the β-clamp of the DNA polymerase (DnaN), are required for this process. Here, we used fluorescence resonance energy transfer experiments to demonstrate that HdaA interacts with DnaN in live Caulobacter crescentus cells. We show that a QFKLPL motif in the N-terminal region of HdaA is required for this interaction and that this motif is also needed to recruit HdaA to the subcellular location occupied by the replisome during DNA replication. An HdaA mutant protein that cannot colocalize or interact with DnaN can also not support the essential function of HdaA. These results suggest that the recruitment of HdaA to the replisome is needed during RIDA in C. crescentus, probably as a means to sense whether chromosome replication has initiated before DnaA becomes inactivated. In addition, we show that a conserved R145 residue located in the AAA+ domain of HdaA is also needed for the function of HdaA, although it does not affect the interaction of HdaA with DnaN in vivo. The AAA+ domain of HdaA may therefore be required during RIDA after the initial recruitment of HdaA to the replisome by DnaN.

Oxidants positively or negatively regulate nuclear factor kappaB in a context-dependent manner.

Redox-based mechanisms play critical roles in the regulation of multiple cellular functions. NF-kappaB, a master regulator of inflammation, is an inducible transcription factor generally considered to be redox-sensitive, but the modes of interactions between oxidant stress and NF-kappaB are incompletely defined. Here, we show that oxidants can either amplify or suppress NF-kappaB activation in vitro by interfering both with positive and negative signals in the NF-kappaB pathway. NF-kappaB activation was evaluated in lung A549 epithelial cells stimulated with tumor necrosis factor alpha (TNFalpha), either alone or in combination with various oxidant species, including hydrogen peroxide or peroxynitrite. Exposure to oxidants after TNFalpha stimulation produced a robust and long lasting hyperactivation of NF-kappaB by preventing resynthesis of the NF-kappaB inhibitor IkappaB, thereby abrogating the major negative feedback loop of NF-kappaB. This effect was related to continuous activation of inhibitor of kappaB kinase (IKK), due to persistent IKK phosphorylation consecutive to oxidant-mediated inactivation of protein phosphatase 2A. In contrast, exposure to oxidants before TNFalpha stimulation impaired IKK phosphorylation and activation, leading to complete prevention of NF-kappaB activation. Comparable effects were obtained when interleukin-1beta was used instead of TNFalpha as the NF-kappaB activator. This study demonstrates that the influence of oxidants on NF-kappaB is entirely context-dependent, and that the final outcome (activation versus inhibition) depends on a balanced inhibition of protein phosphatase 2A and IKK by oxidant species. Our findings provide a new conceptual framework to understand the role of oxidant stress during inflammatory processes.

The global posttranscriptional regulator RsmA modulates production of virulence determinants and N-acylhomoserine lactones in Pseudomonas aeruginosa.

Posttranscriptional control is known to contribute to the regulation of secondary metabolism and virulence determinants in certain gram-negative bacteria. Here we report the isolation of a Pseudomonas aeruginosa gene which encodes a global translational regulatory protein, RsmA (regulator of secondary metabolites). Overexpression of rsmA resulted in a substantial reduction in the levels of extracellular products, including protease, elastase, and staphylolytic (LasA protease) activity as well as the PA-IL lectin, hydrogen cyanide (HCN), and the phenazine pigment pyocyanin. While inactivation of rsmA in P. aeruginosa had only minor effects on the extracellular enzymes and the PA-IL lectin, the production of HCN and pyocyanin was enhanced during the exponential phase. The influence of RsmA on N-acylhomoserine lactone-mediated quorum sensing was determined by assaying the levels of N-(3-oxododecanoyl)homoserine lactone (3-oxo-C12-HSL) and N-butanoylhomoserine lactone (C4-HSL) produced by the rsmA mutant and the rsmA-overexpressing strain. RsmA exerted a negative effect on the synthesis of both 3-oxo-C12-HSL and C4-HSL, which was confirmed by using lasI and rhlI translational fusions. These data also highlighted the temporal expression control of the lasI gene, which was induced much earlier and to a higher level during the exponential growth phase in an rsmA mutant. To investigate whether RsmA modulates HCN production solely via quorum-sensing control, hcn translational fusions were employed to monitor the regulation of the cyanide biosynthesis genes (hcnABC). RsmA was shown to exert an additional negative effect on cyanogenesis posttranscriptionally by acting on a region surrounding the hcnA ribosome-binding site. This suggests that, in P. aeruginosa, RsmA functions as a pleiotropic posttranscriptional regulator of secondary metabolites directly and also indirectly by modulating the quorum-sensing circuitry.

Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.

Emergence of young human genes after a burst of retroposition in primates.

The origin of new genes through gene duplication is fundamental to the evolution of lineage- or species-specific phenotypic traits. In this report, we estimate the number of functional retrogenes on the lineage leading to humans generated by the high rate of retroposition (retroduplication) in primates. Extensive comparative sequencing and expression studies coupled with evolutionary analyses and simulations suggest that a significant proportion of recent retrocopies represent bona fide human genes. We estimate that at least one new retrogene per million years emerged on the human lineage during the past approximately 63 million years of primate evolution. Detailed analysis of a subset of the data shows that the majority of retrogenes are specifically expressed in testis, whereas their parental genes show broad expression patterns. Consistently, most retrogenes evolved functional roles in spermatogenesis. Proteins encoded by X chromosome-derived retrogenes were strongly preserved by purifying selection following the duplication event, supporting the view that they may act as functional autosomal substitutes during X-inactivation of late spermatogenesis genes. Also, some retrogenes acquired a new or more adapted function driven by positive selection. We conclude that retroduplication significantly contributed to the formation of recent human genes and that most new retrogenes were progressively recruited during primate evolution by natural and/or sexual selection to enhance male germline function.

Analysis of Centrosome duplication in "Caenorhabditis elegans" : the role of "sas" genes

Abstract: The centrosome is the major microtubule organizing center (MTOC) of most animal cells. As such, it is essential for a number of processes, including polarized secretion or bipolar spindle assembly. Hence, centrosome number needs to be controlled precisely in coordination with DNA replication. Cells early in the cell cycle contain one centrosome that duplicates during S-phase to give rise to two centrosomes that organize a bipolar spindle during mitosis. A failure in this process is likely to engage the spindle assembly checkpoint and threaten genome stability. Despite its importance for normal and uncontrolled proliferation the mechanisms underlying centrosome duplication are still unclear. The Caenorhabditis elegans embryo is well suited to study the mechanisms of centrosome duplication. It allows for the analysis of cellular processes with high temporal and spatial resolution. Gene identification and inactivation techniques are very powerful and a wide set of mutant and transgenic strains facilitates analysis. My thesis project consisted of characterizing three sas-genes: sas-4, sas-5 and sas-¬6. Embryos lacking these genes fail to form a bipolar spindle, hence their name (spindle assembly). I established that sas-4(RNAi) and sas-6(RNAi) embryos do not form daughter centrioles and thus do not duplicate their centrosomes. Furthermore, I showed that both proteins localize to the cytoplasm and are strikingly enriched at centrioles throughout the cell cycle. By performing fluorescent recovery after photobleaching (FRAP) experiments and differentially labeling centrioles, I established that both proteins are recruited to centrioles once per cell cycle when daughter centrioles form. In contrast, SAS-5, PLK-1 and SPD-2 shuttle permanently between the cytoplasm and centrioles. By showing that SAS-5 and SAS-6 interact in vivo, I established a functional relationship between the proteins. Testing the putative human homologue of SAS-6 (HsSAS-6) and a distant relative of SAS-4 (CPAP), I was able to show that these proteins are required for centrosome duplication in human cells. In addition I found that overexpression of GFP¬HsSAS-6 leads to formation of extra centrosomes. In conclusion, we identified and gained important insights into proteins required for centrosome duplication in C. elegans and in human cells. Thus, our work contributes to further elucidate an important step of cell division in normal and malignant tissues. Eventually, this may allow for the development of novel diagnostic or therapeutic reagents to treat cancer patients. Résumé: Le centrosome est le principal centre organisateur des microtubules dans les cellules animales. De ce fait, il est essentiel pour un certain nombre de processus, comme l'adressage polarisé ou la mise en place d'un fuseau bipolaire. Le nombre de centrosome doit être contrôlé de façon précise et en coordination avec la réplication de l'ADN. Au début du cycle cellulaire, les cellules n'ont qu'un seul centrosome qui se duplique au cours de la phase S pour donner naissance à deux centrosomes qui forment le fuseau bipolaire pendant la mitose. Des défauts dans ce processus déclencheront probablement le "checkpoint" d'assemblage du fuseau et menaceront la stabilité du génome. Malgré leurs importances pour la prolifération normale ou incontrôlée des cellules, les mécanismes gouvernant la duplication des centrosomes restent obscures. L'embryon de Caenorhabditis elegans est bien adapté pour étudier les mécanismes de duplication des centrosomes. Il permet l'analyse des processus cellulaires avec une haute résolution spatiale et temporelle. L'identification des gènes et les techniques d'inactivation sont très puissantes et de larges collections de mutants et de lignées transgéniques facilitent les analyses. Mon projet de thèse a consisté à caractérisé trois gènes: sas-4, sas-5 et sas-6. Les embryons ne possédant pas ces gènes ne forment pas de fuseaux bipolaires, d'où leur nom (spindle assembly). J'ai établi que les embryons sas-4(RNAi) et sas-6(RNAi) ne forment pas de centrioles fils, et donc ne dupliquent pas leur centrosome. De plus, j'ai montré que les deux protéines sont localisées dans le cytoplasme et sont étonnamment enrichies aux centrioles tout le long du cycle cellulaire. En réalisant des expériences de FRAP (fluorscence recovery after photobleaching) et en marquant différentiellement les centrioles, j'ai établi que ces deux protéines sont recrutées une fois par cycle cellulaire aux centrioles, au moment de la duplication. Au contraire, SAS-5, PLK-1 et SPD-2 oscillent en permanence entre le cytoplasme et les centrioles. En montrant que SAS-5 et SAS-6 interagissent in vivo, j'ai établi une relation fonctionnelle entre les deux protéines. En testant les homologues humains putatifs de SAS-6 (HsSAS-6) et de SAS-4 (CPAP), j'ai été capable de montrer que ces protéines étaient aussi requises pour la duplication des centrosomes dans les cellules humaines. De plus, j'ai montré que la surexpression de GFP-HsSAS-6 entrainait la formation de centrosomes surnuméraires. En conclusion, nous avons identifié et progressé dans la compréhension de protéines requises pour la duplication des centrosomes chez C. elegans et dans les cellules humaines. Ainsi, notre travail contribue à mieux élucider une étape importante du la division cellulaire dans les cellules normales et malignes. A terme, ceci devrait aider au développement de nouveaux diagnostics ou de traitements thérapeuthiques pour soigner les malades du cancer.

The generation and analysis of combined legless 1 and 2 knock-out mice

Summary The Wnt signaling pathway plays an important role during development and also for maintaining tissue homeostasis due to its function in proliferation, differentiation and cell fate decisions. Wnt ligands bind to Frizzled receptors and activate a signaling cascade that results in the stabilization of β-Catenin, a key component of the pathway. β-Catenin translocates to the nucleus, where, together with a transcription factor of the Tcf/Lef family, it activates the expression of target genes. Legless and Pygopus are two recently discovered essential components of the Wnt pathway in Drosophila, which may mediate the nuclear import and retention of beta-Catenin and/or contribute directly to the activation of Wnt target genes. To address the function of Legless in the mouse, we have generated compound constitutive and conditional knockout alleles of the two homologues legless 'I (bc1-9) and 2. We have induced the deletion of legless in self-renewing tissues such as the gastrointestinal tract, the mammary gland and the skin during adulthood and constitutively in the embryo. The present thesis focused on the consequences of the inactivation of legless in epithelial homeostasis as well as in a regeneration model and its comparison to pygopus. Deletion of neither legless nor pygopus in the adult small intestine resulted in any apparent anomaly, contrasting expectations from the phenotype caused by over-expression of Dickkopf, a Wnt inhibitor (Pinto et al., 2003). These observations indicate that canonical Wnt signaling might not be indispensable for normal gastrointestinal epithelium homeostasis, or that, in this context, Legless and Pygopus are not essential components of the Wnt pathway. However, the regeneration of the colonic epithelium after DSS induced damage was markedly impaired in legless, but not in pygopus deficient mice. Thus, unlike in Drosophila, deletion of mammalian legless and pygopus resulted in different phenotypes, suggesting that Legless might interact with as yet unidentified partners in addition to Pygopus. Resumé La voie de signalisation Wnt joue un rôle important au cours du développement ainsi que pour le maintien de l' homéostase tissulaire due à sa fonction durant la prolifération, la différentiation et les décisions sur l'avenir des cellules. Les ligands de Wnt se lient aux récepteurs Frizzled et activent une cascade de signalisation résultant en la stabilisation de β-Catenin, un composant central de cette voie. β-Catenin est transloquée dans le noyau ou, avec l'aide des facteurs de transcription de la famille Tcf/lef, elle active la transcription des gènes cibles. Legless et Pygopus sont deux composants récemment découverts et essentiels de la voie de signalisation Wnt chez la Drosophile qui pourraient être des médiateurs de l'import et de la rétention nucléaire de bêta-catenin et/ou contribuer directement a l'activation des gènes cibles. Afin de comprendre la fonction de Legless chez la souris, nous avons généré simultanément les allèles « knock-out » constitutifs et conditionnels des deux homologues legless 1 (bc1-9) et 2. Nous avons induit la délétion de legless dans des tissus capables de s'auto renouveler comme le tract gastro-intestinal, la glande mammaire et la peau chez l'adulte et nous avons supprimé constitutivement legless chez l'embryon. La présente thèse est concentrée sur les conséquences de l'inactivation de legless au cours de l' homéostase épithéliale ainsi que dans un modèle de régénération et sur sa comparaison avec pygopus. Ni la délétion de legless ni celle de pygopus dans l'intestin adulte n'ont résulté en quelque anomalie, contrastant nos attentes provenant des phénotypes causes par la surexpression de Dickkpof, un inhibiteur de Wnt (Pinto et al., 2003). Ces observations indiquent que la voie de signalisation Wnt/β-Catenin pourrait ne pas être indispensable à l' homéostase normale du tract gastro-intestinal, ou que, dans ce contexte, Legless et Pygopus ne sont pas des composants essentiels de la vole Wnt. Cependant, la régénération de l'épithélium du colon après induction de son endommagement au DSS fut dramatiquement diminuée chez legless mais pas chez les souris mutantes pour pygopus. Ainsi, a la différence de chez la Drosophile, la délétion de legless et pygopus chez les mammifères a résulté en des phénotypes différents, suggérant que Legless pourrait interagir avec d'autres partenaires, encore non identifies, que Pygopus.

zyg-11and cul-2 promote the metaphase to anaphase transition and M phase exit of meiosis II and prevent polarity establishment in C.elegans

Résumé Les mécanismes qui coordonnent la progression du cycle cellulaire lors de la méiose avec les événements du développement embryonnaire précoce, y compris la formation des axes de polarité embryonnaire, sont peu compris. Dans le zygote du vers Caenorhabditis elegans, les premiers signes de polarité Antéro-Postérieur (A-P) embryonnaire apparaissent après que la méiose soit terminée. La nature des protéines et des mécanismes moléculaires qui cassent la symétrie du zygote n'est pas connue. Nous démontrons que zyg-11 et cul-2 promeuvent la transition métaphase - anaphase et la sortie de la phase M lors de la seconde division méiotique. Nos résultats indiquent que ZYG-11 agit comme unité recrutant le substrat d'une ligase E3 comprennant CUL-2. Nos résultats montrent aussi que le délai de sortie de la phase M dépend de l'accumulation de la Cyclin B, CYB-3. Nous démontrons que dans des embryons zyg-11(RNAi) ou cul-2(RNAi), une polarité inversée est établie lors du délai de méiosis II. Enfin nous montrons que les défauts de cycle cellulaire et ceux de polarité peuvent être séparés. De plus, nous faisons apparaitre que l'établissement d'une polarité inversée pendant le délai de méiose II des embryons zyg-11(RNAi), comme l'établissement de la A-P polarité des embryons sauvage ne semblent pas requérir les microtubules. Nous montrons également les premiers résultats d'un crible deux hybrides ainsi qu'un crible génomique qui vise à identifier des gènes dont l'inactivation augmente ou supprime les défauts de mutants pour le gène zyg-11, afin d'identifier les gènes qui intéragissent avec ZYG-11 pour assumer ses deux fonctions séparables. Par conséquent, nos trouvailles suggèrent un modèle selon lequel ZYG-11 est une sous-unité qui recrute les substrats d'une ligase E3 basée sur CUL-2 qui promeut la progression du cycle cellulaire et empêche l'établissement de la polarité pendant la méiose II, et où le centrosome agit comme la clé qui polarise l'embryon à la fin de la méiose. Summary The mechanisms that couple meiotic cell cycle progression to subsequent developmental events, including specification of embryonic axes, are poorly understood. In the one cell stage embryos of Caenorhabditis elegans, the first signs of Antero-Posterior (A-P) polarity appear after meiosis completion. A centrosome ¬derived component breaks symmetry of the embryo, but the molecular nature of this polarity signal is not known. We established that zyg-11 and cul-2 promote the metaphase to anaphase transition and M phase exit at meiosis II. Our results indicate that ZYG-11 acts as a substrate recruitment subunit of a CUL-2-based E3 ligase. Moreover, we find that the delayed meiosis II exit of embryos lacking zyg-11 is caused by accumulation of the B-type cyclin, CYB-3. We demonstrate that inverted A-P polarity is established during the meiosis II delay in zyg-11(RNAi) and cul¬2(RNAi) embryos. Importantly, we demonstrate that the polarity defects following zyg-11 or cul-2 inactivation can be uncoupled from the cell cycle defects. Furthermore, we found that microtubules appear dispensable for inverted polarity during the meiosis II delay in zyg-11(RNAi) embryos, as well as for A-P polarity during the first mitotic cell cycle in wild-type embryos. We also show the initial results from a comprehensive yeast two hybrid, as well as an RNAi-based functional genomic enhancer and suppressor screen, that may lead to identification of proteins that interact with zyg-11 to ensure the two functions. Our findings suggest a model in which ZYG-11 is a substrate recruitment subunit of an CUL-2-based E3 ligase that promotes cell cycle progression and prevents polarity establishment during meiosis II, and in which the centrosome acts as a cue to polarize the embryo along the AP axis after exit from the meiotic cell cycle.

Genetic dissection of c-Myc function during mouse organogenesis

Résumé Le gène c-myc est un des oncogènes les plus fréquemment mutés dans les tumeurs humaines. Même si plus de 70 % des cancers humains montrent une dérégulation de c-Myc, les connaissances sur son rôle physiologique pendant le développement, et dans la souris adulte restent très peu connus. Récemment, notre laboratoire a pu montrer que c-Myc contrôle l'équilibre entre le renouvellement et la différenciation des cellules souches hématopoïetiques (CSH) dans la souris adulte. Ceci est probablement dû à lacapacité de c-Myc de contrôler l'entrée et la sortie des CSH de leur niche de la moelle osseuse, en régulant plusieurs molécules d'adhésion, parmi lesquelles la cadhérine-N (Wilson et al., 2004; Wilson and Trumpp, 2006). Des études utilisant un mutant d'inactivation ont demontré que la protéine c-Myc est essentielle pour le développement au delà du jour embryonnaire E9.5. Les embryons c-Myc déficients sont plus petits que la normale et possèdent de nombreux défauts; en particulier ils ne peuvent établir un système hématopoietique embryonnaire primitif (Trumpp et al., 2001). Nous avons récemment découvert que le développement du placenta dépend de la présence de cMyc. Ceci permet de proposer que certains, sinon tous, les défauts embryonnaires puorraient dériver indirectement d'un défaut nutritionnel causé par la défaillance du placenta. Afin de répondre à cette question de manière génétique, nous avons utilisé l'allele conditionel c-mycflox (Trumpp et al., 2001) en combinaison avec l'allele Sox2-Cre (Hayashi et al., 2002). Celui-ci détermine l'expression de la récombinase Cre spécifiquement dans les cellules de l'épiblaste à partir de E6.5, tandis qu'il n'y a pas, ou seulement très peu, d'activité de la récombinase Cre dans les tissus extraembryonnaires.Alnsi, cette stratégie nous permet de générer des embryons sans c-Myc qui se développent en présence d'un compartment extraembryonnaire ou c-Myc est exprimé normalement (Sox2Cre;c-mycflox2) Ces embryons, Sox2Cre;c-mycflox2 se développent et grandissent normalement tout en formant un système vasculaire normal, mais meurent à E11.5 à cause d'un sévère manque de cellules hématopoïetiques. De façon très intéressante, la seule population qui semble être présente en nombre à peu près normal dans ces embryons est celle des précurseurs et des cellules souches. Les cellules qui forment cette population prolifèrent normalement mais ne peuvent pas former des colonies in vitro, ce qui montre que ces cellules ont perdu leur activité de cellules souches. Cependant, lorsque nous avons analysé ces cellules plus en détail en éxaminant l'expression des molécules d'intégrine nous avons découvert que l'integrine ß est sur-éxprimée à la surface des cellules c-Myc déficientes. Ceci pourrait indiquer un mécanisme par lequel c-Myc régule des molécules d'adhésion sur les cellules du sang. En conséquence, en absence de c-Myc, l'adhésion et la migration des cellules du sang de l'AGM (Aorte-Gonade-Mésonéphros) vers le foie de l'embryon, à travers le système vasculaire, est compromise. En outre, nous avons pu montrer que les hépatocytes du foie, qui constitue le site principal de formation des cellules hématopoïetiques pendant le développement, est sévèrement atteint dans des Sox2Cre;c-mycflox2 embryons. Ceci n'est pas du à un défaut propre aux cellules hépatiques qui ont perdu c-Myc, mais résulte plutôt de l'absence de cellules hématopoietïques qui normalement colonisent le foie à ce stade du développement. Ces résultats représentent la première preuve directe que le développement des hépatoblastes est dépendant de signaux provenant des cellules du sang. Summary The myc gene is one of the most frequently mutated oncogenes in human tumors. It is found to be mis-regulated in over 70% of all human cancers. However, our knowledge about its physiological role in mammalian development and adulthood remains limited. Recent work in our laboratory showed that c-Myc controls the balance between hematopoietic stem cell (HSC) self-renewal and differentiation in the adult mouse. This is likely due to the capacity of c-Myc to control entry and exit of HSCs from the bone marrow niche by regulating a number of cell adhesion molecules including N-cadherin (Wilson et al., 2004; Wilson and Trumpp 2006). During development knockout studies showed that c-Myc is required for embryonic development beyond embryonic day (E) 9.5. c-Myc deficient embryos are severely reduced in size and show multiple defects including the failure to establish a primitive hematopoietic system (Trumpp et al., 2001). Importantly, we recentry uncovered that placental development also seems to depend on normal c-Myc function, raising the possibility that some if not all of the embryonic defects observed could be mediated indirectly by a nutrition defect caused by placental failure. To address this possibility genetically, we took advantage of the conditional c-mycflox allele (Trumpp et al., 2001) in combination with the Sox2-Cre allele (Hayashi et al., 2002), in which Cre expression is specifically targeted to all epiblast cells by E6.5, while there is little or no Cre activity inextra-embryonic lineages. Thus, this strategy allows the generation of c-Myc deficient embryos, which develop within a normal c-Myc expressing extra-embryonic compartment (Sox2Cre;c-mycflox2) Such Sox2Cre;c-mycflox2 embryos develop and grow appropriately and form a normal vascular system but die at E11.5 due to a severe lack of blood cells. Interestingly, the only hematopoietic population that seems to be present in almost normal numbers in the embryo is the stem/progenitor cell population. Cells within this populatíon proliferate normal but can not give rise to hematopoietic colonies in vitro showing that functional hematopoietic stem cell (HSC) activity is lost. However, when we analyzed these phenotypic HSCs in more detail and examined integrin expression in mutant stem/progenitor cells, we observed that ß1-integrin is upregulated. This may point to a potential mechanism whereby c-Myc regulates adhesíon molecules on hematopoietic cells and thereby disturbs adhesion and migration from the AGM (aorta-gonads-mesonephros) through the vascular system to the liver. Furthermore, we uncovered that the fetal liver, the main site of hematopoietic expansion at that stage, is severely affected in Sox2Cre;c-mycflox2 embryos and that this is not due to a cell intrinsic defect of c-Myc deficient hepatocytes but rather due to the lack of hematopoietic cells that normally colonize the fetal liver at that stage of development. This provides first direct evidence that hepatoblast development depends on signals derived from blood cells.

Jasmonate biochemical pathway.

Plants possess a family of potent fatty acid-derived wound-response and developmental regulators: the jasmonates. These compounds are derived from the tri-unsaturated fatty acids alpha-linolenic acid (18:3) and, in plants such as Arabidopsis thaliana and tomato, 7(Z)-, 10(Z)-, and 13(Z)-hexadecatrienoic acid (16:3). The lipoxygenase-catalyzed addition of molecular oxygen to alpha-linolenic acid initiates jasmonate synthesis by providing a 13-hydroperoxide substrate for formation of an unstable allene oxide by allene oxide synthase (AOS). This allene oxide then undergoes enzyme-guided cyclization to produce 12-oxophytodienoic acid (OPDA). These first steps take place in plastids, but further OPDA metabolism occurs in peroxisomes. OPDA has several fates, including esterification into plastid lipids and transformation into the 12-carbon prohormone jasmonic acid (JA). JA is itself a substrate for further diverse modifications, including the production of jasmonoyl-isoleucine (JA-Ile), which is a major biologically active jasmonate among a growing number of jasmonate derivatives. Each new jasmonate family member that is discovered provides another key to understanding the fine control of gene expression in immune responses; in the initiation and maintenance of long-distance signal transfer in response to wounding; in the regulation of fertility; and in the turnover, inactivation, and sequestration of jasmonates, among other processes.