Modulation of inflammatory pathways by the HIV protease inhibitors

Les inhibiteurs de la protéase du VIH (IP) constituent une des classes de traitements antirétroviraux parmi les plus utilisés au cours de l'infection par le VIH. Leur utilisation est associée à divers effets secondaires, notamment la dyslipidémie, la résistance à l'insuline, la lipodystrophie et certaines complications cardio-vasculaires. Ces molécules ont également des propriétés anti-tumorales, décrites chez des patients non infectés par le VIH. Pourtant, les mécanismes moléculaires à l'origine de ces effets annexes restent méconnus. Dans ce travail, nous démontrons que les IP, comme le Nelfinavir, le Ritonavir, le Lopinavir, le Saquinavir et l'Atazanavir, entrainent la production d'interleukine-lß (IL-lß), une puissante cytokine pro-inflammatoire, connue pour son rôle central dans les maladies inflammatoires. La sécrétion d'IL-lß requiert la formation de l'inflammasome, un complexe protéique intracellulaire servant de plateforme d'activation de la caspase-1 et, par la suite, à la maturation protéolytique de certaines cytokines, dont l'IL-lß. Dans les macrophages murins en culture primaire, ainsi que dans une lignée de monocytes humains, nous démontrons que les IP augmentent la maturation et la sécrétion de l'IL-lß via l'induction d'un inflammasome dépendant de ASC. De plus, nous établissons que les IP induisent spécifiquement l'activation de AIM2, un inflammasome détectant la présence intracytosolique d'ADN viral ou bactérien. Nos résultats démontrent l'existence d'une nouvelle voie d'activation de l'inflammasome AIM2 par un signal endogène dont la nature reste à définir. Ces données suggèrent que AIM2 pourrait jouer un rôle important dans la promotion de l'activité anti-tumorale ainsi que dans les autres effets annexes observés chez les patients traités par IP. -- HIV protease inhibitors (Pis) are among the most often used classes of antiretroviral drugs for HIV infection. Treatment of patients with HIV-PIs is associated with the development of metabolic side effects including dyslipidemia, insulin resistance, lipodystrophy and cardiovascular complications. In addition, these drugs have been reported to have anti¬tumoral properties in non-infected patients, however the molecular mechanisms causing these off-target effects are still unclear. Here we show that the HIV-PIs, such as Nelfinavir, Ritonavir, Lopinavir, Saquinavir and Atazanavir, activate the production of interleukin-lß (IL-lß), a potent pro-inflammatory cytokine that plays a central role in the pathogenesis of inflammatory diseases. The release of IL-lß depends on the activation of the inflammasome, a multiprotein complex that serves as a platform for caspase-1 activation and subsequent proteolytic maturation of cytokines including IL-lß. We found that in mouse primary macrophages as well as in a human monocytic cell line, the HIV-PIs augment the maturation and secretion of IL-lß by triggering an ASC-dependent inflammasome activation. Moreover, we show that the HIV-PIs specifically engage AIM2, a recently characterized inflammasome -forming protein that was described to detect the cytosolic release of bacterial and viral DNA. Our findings demonstrate a new pathway of activation of the AIM2 inflammasome by a yet to be defined endogenous signal and may suggest a possible role for AIM2 in promoting anti¬tumoral activity and off-target effects observed in HIV-PIs treated patients.

Molecular and cellular analysis of genodermatoses

Summary Skin is the essential interface between our body and its environment; not only does it prevent water loss and protect us from external insults it also plays an essential role in the central nervous system acting as a major sense organ primarily for touch and pain. The main cell type present in skin, keratinocyte, undergoes a differentiation process leading to the formation of this protecting barrier. This work is intended to contribute to the understanding of how keratinocyte differentiates and skin functions. To do this, we studied two genetic skin diseases: Erythrokeratodermia variabilis and Mal de Meleda. Our approach was to examine the expression and localization of proteins implicated in these two pathologies in normal and diseased tissues and to determine the influence of mutant proteins at the molecular and cellular levels. Connexins are major components of gap junctions, channels allowing direct communication between cells. Our laboratory has identified mutations in both connexin 30.3 (Cx30.3) and 31 (Cx31) to be causally involved in erythrokeratodermia variabilis (EKV), an autosomal dominant disorder of keratinization. In the first chapter, we show a new mutation of Cx31, L209P-Cx31, in 3 EKV patients, extending the field of EKV-causing mutations although the mechanism by which connexin mutations lead to the disease is unclear. In the second chapter, we studied the effect of F137L-Cx30.3 on expression, trafficking and localization of cotransfected Cx31 and Cx30.3 in connexin-deficient HeLa cells. The F137 amino acid, highly conserved in connexin family, is oriented towards the channel pore and F137L mutation in either Cx30.3 or Cx31 lead to EKV. As two genes can lead to EKV when mutated, our hypothesis was that Cx31 and Cx30.3 might cooperate at a molecular level. We were able to demonstrate a physical interaction between Cx31 and Cx30.3. The presence of F137L-Cx30.3 disturbed the trafficking of both connexins, less connexins were integrated into gap junctions and thus, the coupling between cell was diminished. Connexins formed in the presence of F137L-Cx30.3 are degraded at their exit from the endoplasmic reticulum. In conclusion, our results indicate that the genetic heterogeneity of EKV is due to mutations in two interacting proteins. F137L-Cx30.3 has a dominant negative effect and affects Cx31, disturbing cellular communication in epidermal cells. Mal de Meleda is an autosomal recessive inflammatory and a keratotic palmoplantar skin disorder due to mutations in SLURP1 (secreted LY6/PLAUR-related protein 1). SLURP1 belongs to the LY6/PLAUR family of proteins and has the particularity of being secreted instead of being GPI-anchored. The high degree of structural similarity between SLURP1 and the three fingers motif of snake neurotoxins and LYNX 1-C suggests that this protein could interact with the neuronal acetylcholine receptors. In the third chapter, we show that SLURP1 potentiates responses of the a7 nicotinic acetylcholine receptor (nAchR) to acetylcholine. These results identify SLURP1 as a secreted epidermal neuromodulator that is likely to be essential for palmoplantar skin. In the fourth chapter, we show that SLURP1 is expressed in the granular layer of the epidermis but is absent from skin biopsies of Mal de Meleda patients. SLURP1 is also present in secretions such as sweat, tears or saliva. An in vitro analysis on two mutant of SLURP-I demonstrates that W15R-SLURP1 is absent in cells while G86R-SLURP1 is expressed and secreted, suggesting that SLURP1 can lead to the disease by either an absent or an abnormal protein. Finally, in the fifth chapter, we analyse the expression and biological properties of other LY6/PLAUR members, clustered around SLURP] on chromosome 8. Their GPI-anchored or secreted status were analysed in vitro. SLURP1, LYNX1-A and -B are secreted while LYPDC2 and LYNX 1-C are GPI anchored. Three of these proteins are expressed in the epidermis and in cultured keratinocytes. These results suggest that these LY6/PLAUR members may have an important role in skin homeostasis. Résumé Résumé La peau est la barrière essentielle entre notre corps et l'environnement, nous protégeant des agressions extérieures, de la déshydratation et assurant aussi un rôle dans le système nerveux central en tant qu'organe du toucher et de la douleur. Le principal type de cellules présent dans la peau est le kératinocyte qui suit un processus de différenciation aboutissant à la formation de cette barrière protectrice. Ce travail est destiné à comprendre la différenciation des kératinocytes et le fonctionnement de la peau. Pour cela, nous avons étudié deux maladies génodermatoses : l'Erthrokeratodermia Variabilis (EKV) et le Mal de Meleda. Nous avons examiné l'expression et la localisation des protéines impliquées dans ces deux pathologies dans des tissus normaux et malades puis déterminé l'influence des protéines mutantes aux niveaux moléculaires et cellulaires. Les connexines (Cx) sont les composants majeurs des jonctions communicantes, canaux permettant la communication directe entre les cellules. Notre laboratoire a identifié des mutations dans les Cx30.3 et Cx31 comme responsables de l'EKV, génodermatose de transmission autosomique dominante. Dans le ler chapitre, nous décrivons une nouvelle mutation de Cx31, L209-Cx31, et contribuons à l'établissement du catalogue des mutations de Cx31 entraînant cette maladie. Cependant, le mécanisme par lequel les mutations de Cx31 et C3x0.3 provoquent l'EKV est inconnu. Dans le 2ème chapitre, nous étudions les effets de la mutation F137L-Cx30.3 sur l'expression, le trafic et la localisation des Cx31 et Cx30.3 transfectées dans des cellules HeLa, déficientes en connexines. Comme deux gènes peuvent causer une EKV quand ils sont mutés, notre hypothèse était que Cx31 et Cx30.3 pourraient coopérer au niveau moléculaire. Nous avons montré l'existence d'une interaction physique entre ces deux connexines. La présence de la mutation F137L-Cx30.3 perturbe le trafic des deux connexines, moins de connexines sont intégrées dans les jonctions communicantes et donc le couplage entre les cellules est diminué. Les connexons formés en présence de cette mutation sont dégradés à leur sortie du réticulum endoplasmique. En conclusion, nos résultats indiquent que l'hétérogénéité génétique de EKV est due à des mutations dans deux protéines qui interagissent. F137L-Cx30.3 a un effet dominant négatif et affecte Cx31, perturbant la communication entre les cellules épidermiques. Le Mal de Meleda est une maladie récessive de la peau palmoplantaire due à des mutations dans SLURP1. SLURP1 appartient à la famille des protéines contenant un domaine LY6/PLAUR et a la particularité d'être sécrétée. La grande homologie de structure existant entre SLURP1, les neurotoxines de serpent et LYNX1-C suggère que la protéine pourrait interagir avec des récepteurs à acétylcholine (Ach). Dans le 3ème chapitre, nous montrons que SLURP1 module la réponse à l'Ach du récepteur nicotinique α7. Ces résultats identifient SLURP1 comme un neuromodulateur épidermique sécrété, probablement essentiel pour la peau palmoplantaire. Dans le 4ème chapitre, nous montrons que SLURP1 est exprimé dans la couche granuleuse de l'épiderme et qu'il est absent des biopsies des patients. SLURP1 a aussi été détecté dans des sécrétions telles que la sueur, les lamies et la salive. Une analyse in vitro de deux mutants de SLURP1 a montré que W15R-SLURP1 est absent des cellules tandis que G86R-SLURP1 est exprimé et sécrété, suggérant qu'une absence ou une anomalie de SLURP1 peuvent causer la maladie. Finalement, dans le 5ème chapitre, nous analysons l'expression et les propriétés biologiques d'autres membres de la famille LY6/PLAUR localisés autour de SLURP1 sur le chromosome 8. Leur statut de protéines sécrétées ou liées à la membrane par une ancre GPI est analysé in vitro. SLURP1, LYNXI-A et -B sont sécrétées alors que LYPDC2 et LYNX1-C sont liés à la membrane. Trois de ces protéines sont exprimées dans l'épiderme et dans des kératinocytes cultivés. Ces résultats suggèrent que la famille LY6/PLAUR pourrait avoir un rôle important dans l'homéostasie de la peau.

Hypoxie-ischémie cérébrale néonatale : rôle de la voie de JNK et implication de l'autophagie dans la mort neuronale

Résumé : Malgré les immenses progrès réalisés depuis plusieurs années en médecine obstétricale ainsi qu'en réanimation néonatale et en recherche expérimentale, l'asphyxie périnatale, une situation de manque d'oxygène autour du moment de la naissance, reste une cause majeure de mortalité et de morbidité neurologique à long terme chez l'enfant (retard mental, paralysie cérébrale, épilepsie, problèmes d'apprentissages) sans toutefois de traitement pharmacologique réel. La nécessité de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour les complications de l'asphyxie périnatale est donc aujourd'hui encore essentielle. Le but général de ce travail est l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques impliquées dans des mécanismes moléculaires pathologiques induits par l'hypoxie-ischémie (HI) dans le cerveau immature. Pour cela, le modèle d'asphyxie périnatale (proche du terme) le plus reconnu chez le rongeur a été développé (modèle de Rice et Vannucci). Il consiste en la ligature permanente d'une artère carotide commune (ischémie) chez le raton de 7 jours combinée à une période d'hypoxie à 8% d'oxygène. Il permet ainsi d'étudier les lésions de type hypoxique-ischémique dans différentes régions cérébrales dont le cortex, l'hippocampe, le striatum et le thalamus. La première partie de ce travail a abordé le rôle de deux voies de MAPK, JNK et p38, après HI néonatale chez le raton à l'aide de peptides inhibiteurs. Tout d'abord, nous avons démontré que D-JNKI1, un peptide inhibiteur de la voie de JNK présentant de fortes propriétés neuroprotectrices dans des modèles d'ischémie cérébrale adulte ainsi que chez le jeune raton, peut intervenir sur différentes voies de mort dont l'activation des calpaïnes (marqueur de la nécrose précoce), l'activation de la caspase-3 (marqueur de l'apoptose) et l'expression de LC3-II (marqueur de macroautophagie). Malgré ces effets positifs le traitement au D-JNKI1 ne modifie pas l'étendue de la lésion cérébrale. L'action limitée de D-JNKI1 peut s'expliquer par une implication modérée des JNKs (faiblement activées et principalement l'isotype JNK3) après HI néonatale sévère. Au contraire, l'inhibition de la voie de nNOS/p38 par le peptide DTAT-GESV permet une augmentation de 20% du volume du tissu sain à court et long terme. Le second projet a étudié les effets de l'HI néonatale sur l'autophagie neuronale. En effet, l'autophagie est un processus catabolique essentiel au bien-être de la cellule. Le type principal d'autophagie (« macroautophagie » , que nous appellerons par la suite « autophagie ») consiste en la séquestration d'éléments à dégrader (protéines ou organelles déficients) dans un compartiment spécialisé, l'autophagosome, qui fusionne avec un lysosome pour former un autolysosome où le contenu est dégradé par les hydrolases lysosomales. Depuis peu, l'excès ou la dérégulation de l'autoptiagie a pu être impliqué dans la mort cellulaire en certaines conditions de stress. Ce travail démontre que l'HI néonatale chez le raton active fortement le flux autophagique, c'est-à-dire augmente la formation des autophagosomes et des autolysosomes, dans les neurones en souffrance. De plus, la relation entre l'autophagie et l'apoptose varie selon la région cérébrale. En effet, alors que dans le cortex les neurones en voie de mort présentent des caractéristiques mixtes apoptotiques et autophagiques, ceux du CA3 sont essentiellement autophagiques et ceux du CA1 sont principalement apoptotiques. L'induction de l'autophagie après HI néonatale semble donc participer à la mort neuronale soit par l'enclenchement de l'apoptose soit comme mécanisme de mort en soi. Afin de comprendre la relation pouvant exister entre autophagie et apoptase un troisième projet a été réalisé sur des cultures primaires de neurones corticaux exposés à un stimulus apoptotique classique, la staurosporine (STS). Nous avons démontré que l'apoptose induite par la STS était précédée et accompagnée par une forte activation du flux autophagique neuronal. L'inhibition de l'autophagie de manière pharmacologique (3-MA) ou plus spécifiquement par ARNs d'interférence dirigés contre deux protéines autophagiques importantes (Atg7 et Atg5) a permis de mettre en évidence des rôles multiples de l'autophagie dans la mort neuronale. En effet, l'autophagie prend non seulement part à une voie de mort parallèle à l'apoptose pouvant être impliquée dans l'activation des calpaïnes, mais est également partiellement responsable de l'induction des voies apoptotiques (activation de la caspase-3 et translocation nucléaire d'AIF). En conclusion, ce travail a montré que l'inhibition de JNK par D-JNKI1 n'est pas un outil neuroprotecteur efficace pour diminuer la mort neuronale provoquée par l'asphyxie périnatalé sévère, et met en lumière deux autres voies thérapeutiques beaucoup plus prometteuses, l'inhibition de nNOS/p38 ou de l'autophagie. ABSTRACT : Despite enormous progress over the last«decades in obstetrical and neonatal medicine and experimental research, perinatal asphyxia, a situation of lack of oxygen around the time of the birth, remains a major cause of mortality and long term neurological morbidity in children (mental retardation, cerebral palsy, epilepsy, learning difficulties) without any effective treatment. It is therefore essential to develop new therapeutic strategies for the complications of perinatal asphyxia. The overall aim of this work was to identify new therapeutic targets involved in pathological molecular mechanisms induced by hypoxia-ischemia (HI) in the immature brain. For this purpose, the most relevant model of perinatal asphyxia (near term) in rodents has been developed (model of Rice and Vannucci). It consists in the permanent ligation of one common carotid artery (ischemia) in the 7-day-old rat combined with a period of hypoxia at 8% oxygen. This model allows the study of the hypoxic-ischemic lesion in different brain regions including the cortex, hippocampus, striatum and thalamus. The first part of this work addressed the role of two MAPK pathways (JNK and p38) after rat neonatal HI using inhibitory peptides. First, we demonstrated that D-JNKI1, a JNK peptide inhibitor presenting strong neuroprotective properties in models of cerebral ischemia in adult and young rats, could affect different cell death mechanisms including the activation of calpain (a marker of necrosis) and caspase-3 (a marker of apoptosis), and the expression of LC3-II (a marker of macroautophagy). Despite these positive effects, D-JNKI1 did not modify the extent of brain damage. The limited action of D-JNKI1 can be explained by the fact that JNKs were only moderately involved (weakly activated and principally the JNK3 isotype) after severe neonatal HI. In contrast, inhibition of nNOS/p38 by the peptide D-TAT-GESV increased the surviving tissue volume by around 20% at short and long term. The second project investigated the effects of neonatal HI on neuronal autophagy. Indeed, autophagy is a catabolic process essential to the well-being of the cell. The principal type of autophagy ("macroautophagy", that we shall henceforth call "autophagy") involves the sequestration of elements to be degraded (deficient proteins or organelles) in a specialized compartment, the autophagosome, which fuses with a lysosome to form an autolysosome where the content is degraded by lysosomal hydrolases. Recently, an excess or deregulation of autophagy has been implicated in cell death in some stress conditions. The present study demonstrated that rat neonatal HI highly enhanced autophagic flux, i.e. increased autophagosome and autolysosome formation, in stressed neurons. Moreover, the relationship between autophagy and apoptosis varies according to the brain region. Indeed, whereas dying neurons in the cortex exhibited mixed features of apoptosis and autophagy, those in CA3 were primarily autophagíc and those in CA1 were mainly apoptotic. The induction of autophagy after neonatal HI seems to participate in neuronal death either by triggering apoptosis or as a death mechanism per se. To understand the relationships that may exist between autophagy and apoptosis, a third project has been conducted using primary cortical neuronal cultures exposed to a classical apoptotic stimulus, staurosporine (STS). We demonstrated that STS-induced apoptosis was preceded and accompanied by a strong activation of neuronal autophagic flux. Inhibition of autophagy pharmacologically (3-MA) or more specifically by RNA interference directed against two important autophagic proteins (Atg7 and AtgS) showed multiple roles of autophagy in neuronal death. Indeed, autophagy was not only involved in a death pathway parallel to apoptosis possibly involved in the activation of calpains, but was also partially responsible for the induction of apoptotic pathways (caspase-3 activation and AIF nuclear translocation). In conclusion, this study showed that JNK inhibition by D-JNKI1 is not an effective neuroprotective tool for decreasing neuronal death following severe perinatal asphyxia, but highlighted two more promising therapeutic approaches, inhibition of the nNOSlp38 pathway or of autophagy.

A CRTC1 deficient mouse line study : relevance to mood disorders

Summary Mood disorders are among the most prevalent, psychosocial^ debilitating, chronic and relapsing forms of psychiatric illnesses. Despite considerable advances in their characterization, the heterogeneous nature of susceptibility factors and patient's symptoms could account for the lack of totally effective and remissive treatment. The neurobiological hypothesis of mood disorders etiology has evolved since the monoamine and neurotrophin theories and current evidence is pointing toward their integration in a broader polygenic epistatic model resulting in defective neuroplasticity of circuitries involved in emotion processing. Consequently, the unraveling of molecular underpinning pathways involved in neuronal plasticity, commonly altered among mood disorder syndromes and symptoms, should shed light on their etiology and provide new drug target. The transcription factor CREB has been critically involved in the long-lasting forms of neuronal plasticity and in the regulation of several mood disorders susceptibility genes. In addition, altered CREB activity has been associated with mood disorders pathophysiology and pharmacotherapy. Interestingly, the newly-identified protein CREB-regulated transcription coactivator 1 (CRTC1) was shown by previous studies in the laboratory to be a neuroactivity- dependent cAMP and calcium sensor, a potent activator of CREB-dependent transcription and involved in neuroplasticity mechanisms associated with long-term synaptic potentiation. Furthermore, the major mood disorder susceptibility gene Bdnf was suggested to be transcriptional regulated by CRTC1. Therefore, we aimed to investigate a role for CRTC1 in mood disorders by generating and characterizing a Crtcl deficient mouse model at the behavioral and molecular levels. Interestingly, their comprehensive characterization revealed a behavioral profile mirroring several major symptoms comorbid in mood disorders, including altered social interactions, aggressive behaviors, obesity, psychomotor retardation, increased emotional response to stress, decreased sexual drive and depression-like behaviors. To investigate the molecular mechanisms underlying these pathological behaviors and the implication of CRTC1 in the regulation of CREB-regulated genes in vivo, we also quantified transcript levels of several relevant CREB-regulated susceptibility genes in brain structures involved in the pathophysiology of mood disorders. Strikingly, we found the underexpression of primary components of the neurotrophin system: Bdnf and its cognate receptor TrkB, a marked decrease in the Nr4a family of transcription factors, implicated in neuroplasticity and associated with dopamine-related disorders, as well as in several other relevant CREB regulated genes. Moreover, neurochemical analysis revealed that Crtcl null mice presented alteration in prefrontal cortical monoamine turnover as well as in hippocampal and accumbal serotonin levels, similarly associated with mood disorders etiology and pharmacotherapy. Together, the present thesis supports the involvement of CRTC1 pathway hypofunction in the pathogenesis of mood disorders and specifically in pathological aggression, obesity and depression-related behavior comorbidities. Ultimately, CRTC1 may represent an interesting antidepressant, antiaggressive or mood stabilizer drug target candidate through the modulation of major CREB regulated susceptibility genes. Les troubles de l'humeur comptent parmi les maladies psychiatriques les plus prévalentes, psychosocialement débilitantes, chroniques et avec le plus grand risque de rechute. Malgré de considérable avancées dans leur caractérisation, la nature hétérogène des facteurs de susceptibilité et des symptômes présentés par les patients, semble justifier l'absence de traitement entraînant une rémission complète de la maladie. L'hypothèse de l'étiologie neurobiologique des troubles de l'humeur a évolué depuis la théorie des monoamines et des neurotrophines. Actuellement, elle tend à les englober dans un modèle polygénique épistatique induisant une déficience de la neuroplasticité des circuits impliqué dans la régulation des émotions. Par conséquent, il apparaît particulièrement relevant de caractériser des voies moléculaires impliquées dans la plasticité neuronale, communément altérées parmi les différents syndromes et symptômes des maladies de l'humeur, afin d'améliorer leur compréhension ainsi que de proposer de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles. Le facteur de transcription CREB a été de façon répétée et cohérente impliqué dans les mécanismes à long terme de la plasticité neuronale, ainsi que dans la régulation de plusieurs gènes de susceptibilité aux maladies de l'humeur. De plus, une altération dans l'activité de CREB a été impliqué dans leur étiologie et pharmacothérapie. De façon intéressante, des résultats préliminaires sur la protéine récemment découverte CREB-regulated transcription coactivator 1 (CRTC1) ont indiqué que son activation était dépendante de l'activité neuronale, qu'il était un senseur du calcium et de l'AMPc, ainsi qu'un coactivateur de CREB requis et puissant impliqué dans les mécanismes de plasticité neuronale associés à la potentialisation à long terme. En outre, des résultats ont suggéré que le gène majeur de susceptibilité Bdnf est régulé par CRTC1. Ainsi, notre objectif a été d'investiguer un rôle éventuel de CRTC1 dans les maladies de l'humeur en générant et caractérisant une lignée de souris déficiente pour Crtcl, tant au niveau comportemental que moléculaire. De façon intéressante, leur caractérisation détaillée a révélé un profil comportemental reflétant de nombreux aspects des maladies de l'humeur incluant une altération des interactions sociales, une agression pathologique, l'obésité, un retard psychomoteur, une réponse émotionnelle au stress accrue, une diminution de la motivation sexuelle, et des comportements reliés à la dépression. Afin d'investiguer les mécanismes moléculaires sous- jacents cette altération du comportement, ainsi que l'implication de CRTC1 dans l'expression des gènes régulés par CREB in vivo, nous avons quantifié les niveaux de transcrits de plusieurs gènes de susceptibilité régulés par CREB et impliqués dans la physiopathologie des maladies de l'humeur. Remarquablement, nous avons trouvé la sous-expression de composants primordiaux du système neurotrophique: Bdnf et son récepteur TrkB, une diminution majeure de la famille des facteurs de transcription Nr4a, impliqués dans la neuroplasticité et associés à des désordres liés à la dopamine, ainsi que de nombreux autres gènes relevants régulés par CREB. De plus, une analyse neurochimique a révélé que les souris déficientes pour Crtcî présentent une altération du turn-over des monoamines du cortex préfrontal ainsi que des niveaux hippocampaux et accumbaux de sérotonine, associés de façon similaire dans l'étiologie et la pharmacothérapie des maladies de l'humeur. Vue dans son ensemble, la présente thèse supporte l'implication d'une sous-régulation de la voie de CRTCI dans la pathogenèse des maladies de l'humeur ainsi que dans la comorbidité de l'agression pathologique, l'obésité et la dépression. En conclusion, CRTCI pourrait représenter une cible médicamenteuse intéressante aux propriétés antidépressante, antiagressive ou stabilisatrice de l'humeur au travers de la modulation de gènes de susceptibilité majeurs régulés par CREB.

Fracture network characterization using hydrological and geophysical data

Les décisions de gestion des eaux souterraines doivent souvent être justiffées par des modèles quantitatifs d'aquifères qui tiennent compte de l'hétérogénéité des propriétés hydrauliques. Les aquifères fracturés sont parmi les plus hétérogènes et très difficiles à étudier. Dans ceux-ci, les fractures connectées, d'ouverture millimètrique, peuvent agir comme conducteurs hydrauliques et donc créer des écoulements très localisés. Le manque général d'informations sur la distribution spatiale des fractures limite la possibilité de construire des modèles quantitatifs de flux et de transport. Les données qui conditionnent les modèles sont généralement spatialement limitées, bruitées et elles ne représentent que des mesures indirectes de propriétés physiques. Ces limitations aux données peuvent être en partie surmontées en combinant différents types de données, telles que les données hydrologiques et de radar à pénétration de sol plus commun ément appelé géoradar. L'utilisation du géoradar en forage est un outil prometteur pour identiffer les fractures individuelles jusqu'à quelques dizaines de mètres dans la formation. Dans cette thèse, je développe des approches pour combiner le géoradar avec les données hydrologiques affn d'améliorer la caractérisation des aquifères fracturés. Des investigations hydrologiques intensives ont déjà été réalisées à partir de trois forage adjacents dans un aquifère cristallin en Bretagne (France). Néanmoins, la dimension des fractures et la géométrie 3-D des fractures conductives restaient mal connue. Affn d'améliorer la caractérisation du réseau de fractures je propose dans un premier temps un traitement géoradar avancé qui permet l'imagerie des fractures individuellement. Les résultats montrent que les fractures perméables précédemment identiffées dans les forages peuvent être caractérisées géométriquement loin du forage et que les fractures qui ne croisent pas les forages peuvent aussi être identiffées. Les résultats d'une deuxième étude montrent que les données géoradar peuvent suivre le transport d'un traceur salin. Ainsi, les fractures qui font partie du réseau conductif et connecté qui dominent l'écoulement et le transport local sont identiffées. C'est la première fois que le transport d'un traceur salin a pu être imagé sur une dizaines de mètres dans des fractures individuelles. Une troisième étude conffrme ces résultats par des expériences répétées et des essais de traçage supplémentaires dans différentes parties du réseau local. En outre, la combinaison des données de surveillance hydrologique et géoradar fournit la preuve que les variations temporelles d'amplitude des signaux géoradar peuvent nous informer sur les changements relatifs de concentrations de traceurs dans la formation. Par conséquent, les données géoradar et hydrologiques sont complémentaires. Je propose ensuite une approche d'inversion stochastique pour générer des modèles 3-D de fractures discrètes qui sont conditionnés à toutes les données disponibles en respectant leurs incertitudes. La génération stochastique des modèles conditionnés par géoradar est capable de reproduire les connexions hydrauliques observées et leur contribution aux écoulements. L'ensemble des modèles conditionnés fournit des estimations quantitatives des dimensions et de l'organisation spatiale des fractures hydrauliquement importantes. Cette thèse montre clairement que l'imagerie géoradar est un outil utile pour caractériser les fractures. La combinaison de mesures géoradar avec des données hydrologiques permet de conditionner avec succès le réseau de fractures et de fournir des modèles quantitatifs. Les approches présentées peuvent être appliquées dans d'autres types de formations rocheuses fracturées où la roche est électriquement résistive.

Dose-dependent acute and sustained renal effects of the endothelin receptor antagonist avosentan in healthy subjects

Enjeu : L'incidence d'insuffisance rénale terminale augmente d'environ 5-6% par année dans nos régions. L'une des causes majeures d'insuffisance rénale est la néphropathie diabétique qui représente selon les pays entre 25 et 40% des néphropathies terminales. La progression de la néphropathie diabétique peut être ralentie de manière efficace par un bon contrôle du diabète et de l'hypertension artérielle et par le blocage du système rénine-angiotensine. Néanmoins, malgré l'application stricte de ces thérapies préventives, la néphropathie de bons nombres de patients diabétiques continue de progresser. Il est donc important de développer de nouvelles stratégies permettant de préserver la fonction rénale des patients diabétiques soit en améliorant le contrôle de la pression artérielle soit en diminuant la protéinurie. Contexte : Il existe un certain nombre d'évidences expérimentales que le blocage des récepteurs de l'endothéline pourrait avoir un effet positif sur le devenir de la néphropathie diabétique en diminuant de manière efficace la protéinurie même chez des animaux déjà traités efficacement avec un bloqueur du système rénine-angiotensine. Dans des études de phase 2 impliquant l'avosentan, un antagoniste des récepteurs de l'endothéline actuellement en cours de développement pour le traitement de la néphropathie diabétique, on a pu démontrer que cet antagoniste, prescrit à des doses oscillant entre 5 et 50 mg par jour per os, diminue la protéinurie d'environ 20-40% chez des patients déjà traités avec un IEC ou un antagoniste de l'angiotensine. Toutefois, une grande étude de phase III conduite avec ce médicament chez des patients diabétiques a du être interrompue précocement en raison de l'apparition d'oedèmes et d'une surcharge hydrosodée conduisant dans certains cas à une décompensation cardiaque aiguë. La rétention hydrosodée est un effet secondaire connu des antagonistes de l'endothéline déjà sur le marché. Toutefois, pour l'avosentan, on ne savait pas si des doses plus faibles du médicament avaient aussi un effet négative sur la balance hydrosodée. En outre, les mécanismes rénaux responsables de la rétention hydrosodée sont encore mal connus chez l'homme. C'est pourquoi, nous avons organisé et réalisé cette étude de pharmacologie clinique chez le volontaire sain posant 2 questions : 1) des doses faibles d'avosentan produisent-elles aussi une rétention hydrosodée chez l'homme ? et 2) quels sont les mécanismes rénaux pouvant expliquer la rétention hydrosodée ? Cette thèse est donc une étude clinique de phase I testant chez 23 volontaires sains les effets rénaux de différentes doses d'avosentan ou d'un placebo pour établir la courbe dose-réponse des effets rénaux de ce médicament. L'idée était également de définir quelle dose est sure et bien tolérée pour être utilisée dans une nouvelle étude de phase II. L'avosentan a été administré par voie orale une fois par jour pendant 8 jours à des doses de 0.5, 1.5, 5 et 50 mg. Les effets rénaux hémodynamiques et tubulaires ont été étudiés chez chaque sujet lors de la première administration (jour 1) et après une semaine de traitement (jour 8). Le médicament a induit une prise de poids dose-dépendante déjà présente à 5 mg et maximale à 50 mg (+ 0.8 kg au jour 8). Nous n'avons pas mesuré d'impact de l'avosentan sur l'hémodynamique rénale ni sur les électrolytes plasmatiques. En revanche, nous avons constaté une diminution dose-dépendante de la fraction d'excrétion de sodium (jusqu'à -8.7% avec avosentan 50 mg). Cette diminution était en rapport avec une augmentation dose-dépendante de la réabsorption proximale de sodium. Nous avons également constaté une baisse de la pression artérielle aux doses élevées et une hémodilution marquée par une baisse de l'hématocrite suggérant une rétention hydrique à la plus haute dose. Nos résultats suggèrent donc que l'avosentan induit une rétention sodée rénale dose-dépendante expliquée avant tout par une rétention du sodium au niveau du tubule proximal. Cet effet n'est pas observé à des doses plus basses que 5 mg chez le volontaire sain, suggérant que ce médicament devrait être évalué pour son activité réno-protectrice à des doses inférieures ou égales à 5 mg par jour. La raison pour laquelle les hautes doses produisent plus de rétention sodée est peut être liée à une perte de sélectivité pour les sous-types (A et B) de récepteurs à l'endothéline lorsque l'on administre des doses plus élevées que 5 mg. Perspectives : Les résultats de ce travail de thèse ont donc permis de caractériser les propriétés rénales d'un nouvel antagoniste des récepteurs de l'endothéline chez l'homme. Ces résultats ont aussi permis de guider le développement futur de ce médicament vers des doses plus faibles avec l'espoir de garder les effets bénéfiques sur la protéinurie tout en améliorant le profil de tolérance du médicament par l'utilisation de doses plus faibles. ANGLAIS The endothelin receptor antagonist avosentan may cause fluid overload at doses of 25 and 50 mg, but the actual mechanisms of this effect are unclear. We conducted a placebo-controlled study in 23 healthy subjects to assess the renal effects of avosentan and the dose dependency of these effects. Oral avosentan was administered once daily for 8 days at doses of 0.5, 1.5, 5, and 50 mg. The drug induced a dose-dependent median increase in body weight, most pronounced at 50 mg (0.8 kg on day 8). Avosentan did not affect renal hemodynamics or plasma electrolytes. A dose-dependent median reduction in the fractional renal excretion of sodium was found (up to 8.7% at avosentan 50 mg); this reduction was paralleled by a dose-related increase in proximal sodium reabsorption. It is suggested that avosentan dose-dependently induces sodium retention by the kidney, mainly through proximal tubular effects. The potential clinical benefits of avosentan should therefore be investigated at doses of ≤ 5 mg.

Molecular modeling study of the binding and signaling properties of the TCRpMHC complex

The activation of the specific immune response against tumor cells is based on the recognition by the CD8+ Cytotoxic Τ Lymphocytes (CTL), of antigenic peptides (p) presented at the surface of the cell by the class I major histocompatibility complex (MHC). The ability of the so-called T-Cell Receptors (TCR) to discriminate between self and non-self peptides constitutes the most important specific control mechanism against infected cells. The TCR/pMHC interaction has been the subject of much attention in cancer therapy since the design of the adoptive transfer approach, in which Τ lymphocytes presenting an interesting response against tumor cells are extracted from the patient, expanded in vitro, and reinfused after immunodepletion, possibly leading to cancer regression. In the last decade, major progress has been achieved by the introduction of engineered lypmhocytes. In the meantime, the understanding of the molecular aspects of the TCRpMHC interaction has become essential to guide in vitro and in vivo studies. In 1996, the determination of the first structure of a TCRpMHC complex by X-ray crystallography revealed the molecular basis of the interaction. Since then, molecular modeling techniques have taken advantage of crystal structures to study the conformational space of the complex, and understand the specificity of the recognition of the pMHC by the TCR. In the meantime, experimental techniques used to determine the sequences of TCR that bind to a pMHC complex have been used intensively, leading to the collection of large repertoires of TCR sequences that are specific for a given pMHC. There is a growing need for computational approaches capable of predicting the molecular interactions that occur upon TCR/pMHC binding without relying on the time consuming resolution of a crystal structure. This work presents new approaches to analyze the molecular principles that govern the recognition of the pMHC by the TCR and the subsequent activation of the T-cell. We first introduce TCRep 3D, a new method to model and study the structural properties of TCR repertoires, based on homology and ab initio modeling. We discuss the methodology in details, and demonstrate that it outperforms state of the art modeling methods in predicting relevant TCR conformations. Two successful applications of TCRep 3D that supported experimental studies on TCR repertoires are presented. Second, we present a rigid body study of TCRpMHC complexes that gives a fair insight on the TCR approach towards pMHC. We show that the binding mode of the TCR is correctly described by long-distance interactions. Finally, the last section is dedicated to a detailed analysis of an experimental hydrogen exchange study, which suggests that some regions of the constant domain of the TCR are subject to conformational changes upon binding to the pMHC. We propose a hypothesis of the structural signaling of TCR molecules leading to the activation of the T-cell. It is based on the analysis of correlated motions in the TCRpMHC structure. - L'activation de la réponse immunitaire spécifique dirigée contre les cellules tumorales est basée sur la reconnaissance par les Lymphocytes Τ Cytotoxiques (CTL), d'un peptide antigénique (p) présenté à la suface de la cellule par le complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (MHC). La capacité des récepteurs des lymphocytes (TCR) à distinguer les peptides endogènes des peptides étrangers constitue le mécanisme de contrôle le plus important dirigé contre les cellules infectées. L'interaction entre le TCR et le pMHC est le sujet de beaucoup d'attention dans la thérapie du cancer, depuis la conception de la méthode de transfer adoptif: les lymphocytes capables d'une réponse importante contre les cellules tumorales sont extraits du patient, amplifiés in vitro, et réintroduits après immunosuppression. Il peut en résulter une régression du cancer. Ces dix dernières années, d'importants progrès ont été réalisés grâce à l'introduction de lymphocytes modifiés par génie génétique. En parallèle, la compréhension du TCRpMHC au niveau moléculaire est donc devenue essentielle pour soutenir les études in vitro et in vivo. En 1996, l'obtention de la première structure du complexe TCRpMHC à l'aide de la cristallographie par rayons X a révélé les bases moléculaires de l'interaction. Depuis lors, les techniques de modélisation moléculaire ont exploité les structures expérimentales pour comprendre la spécificité de la reconnaissance du pMHC par le TCR. Dans le même temps, de nouvelles techniques expérimentales permettant de déterminer la séquence de TCR spécifiques envers un pMHC donné, ont été largement exploitées. Ainsi, d'importants répertoires de TCR sont devenus disponibles, et il est plus que jamais nécessaire de développer des approches informatiques capables de prédire les interactions moléculaires qui ont lieu lors de la liaison du TCR au pMHC, et ce sans dépendre systématiquement de la résolution d'une structure cristalline. Ce mémoire présente une nouvelle approche pour analyser les principes moléculaires régissant la reconnaissance du pMHC par le TCR, et l'activation du lymphocyte qui en résulte. Dans un premier temps, nous présentons TCRep 3D, une nouvelle méthode basée sur les modélisations par homologie et ab initio, pour l'étude de propriétés structurales des répertoires de TCR. Le procédé est discuté en détails et comparé à des approches standard. Nous démontrons ainsi que TCRep 3D est le plus performant pour prédire des conformations pertinentes du TCR. Deux applications à des études expérimentales des répertoires TCR sont ensuite présentées. Dans la seconde partie de ce travail nous présentons une étude de complexes TCRpMHC qui donne un aperçu intéressant du mécanisme d'approche du pMHC par le TCR. Finalement, la dernière section se concentre sur l'analyse détaillée d'une étude expérimentale basée sur les échanges deuterium/hydrogène, dont les résultats révèlent que certaines régions clés du domaine constant du TCR sont sujettes à un changement conformationnel lors de la liaison au pMHC. Nous proposons une hypothèse pour la signalisation structurelle des TCR, menant à l'activation du lymphocyte. Celle-ci est basée sur l'analyse des mouvements corrélés observés dans la structure du TCRpMHC.

Sleep, metabolism and aging

Aging is a multidimensional process of physical, psychological, and social changes. Understanding how we sleep and how this dynamic process evolves across life span will help to identify normal developmental aspects of sleep over time and to create strategies to increase awareness of sleep disturbances and their early management. In normal sleepers from HypnoLaus cohort, we evaluated the effects of age and gender on both subjective and objective sleep measurements. Our results indicate that normal aging is not accompanied by sleep complaints, and when they exist suggest the presence of underlying comorbidities. Polysomnographic data revealed that slow wave sleep was more affected with age in men, and age affected differently NREM and REM spectral power densities. Both sleep structure and spectral analysis profiles may constitute standards to delineate pathological changes in sleep, both for aging women and men. Another important aspect in the management of sleep and its disorders is a detailed characterization of sleep-inducing medications. Gamma-hydroxybutyrate (GHB) is an inhibitory neurotransmitter derivative of GABA, but its mode of action and the range of effects are not well understood. Several properties, as growth hormone stimulation in humans and the development of weight loss in treated patients suggest an unexplored metabolic effect. In different experiments we assessed the effects of acute, short term and chronic GHB administration on central (cerebral cortex) and peripheral (liver) biochemical processes involved in the metabolism of the drug, as well as the effects of the drug on metabolism in C57BL/6J, GABAB knock-out and obese (ob/ob) mice. We showed that GHB treatment affects weight gain in C57BL/6J and GABAB knock-out mice. Metabolomic analysis indicated large central and peripheral metabolic changes induced by GHB with important relevance to its therapeutic use. -- Le vieillissement est un processus multidimensionnel accompagné par de multiples changements dans les domaines physique, psychologique et social. Comprendre comment nous dormons et comment ce processus dynamique évolue sur la durée de vie nous aidera à identifier les aspects normaux du développement du sommeil au fil du temps, et à créer des stratégies pour accroître la connaissance et compréhension des troubles du sommeil et leur prise en charge précoce. Chez les sujets normaux de la cohorte HypnoLaus nous avons évalué les effets de l'âge et du sexe sur les mesures subjectives et objectives du sommeil. Nos résultats indiquent que le vieillissement normal ne s'accompagne pas de troubles du sommeil, et quand ils existent ceux-ci suggèrent la présence de comorbidités sous-jacentes. Les données polysomnographiques ont révélé que le sommeil profond était plus affecté avec l'âge chez les hommes. De plus, nous avons montré comment l'âge modifie la composition spectrale du sommeil lent et paradoxal. La structure du sommeil et les profils d'analyse spectrale peuvent donc constituer des standards permettant de définir les changements pathologiques du sommeil chez les personnes âgées. Parmi les aspects importants de la gestion du sommeil et de ses troubles, la caractérisation détaillée des médicaments hypnotiques utilisés est essentielle. L'acide gamma-hydroxybutyrique (GHB) est un acide gras à courte chaîne dérivé du GABA, principal neurotransmetteur inhibiteur du cerveau, mais son mode d'action et tous ses effets sont toujours largement méconnus. Plusieurs propriétés, comme la stimulation de la sécrétion de l'hormone de croissance chez l'homme et le développement d'une perte de poids chez les patients traités suggèrent un effet métabolique inexploré. Dans différentes expériences, nous avons évalué les effets d'une exposition aiguë, à court terme et chronique de GHB sur les processus biochimiques centraux (cortex cérébral) et périphériques (foie) impliqués dans le métabolisme du médicament. Nous avons aussi évalué les effets du médicament sur le métabolisme des souris C57BL/6J, GABAB KO et obèses (ob/ob). Nos résultats ont montré que le GHB diminue le gain de poids chez les souris C57BL/6J et GABAB KO. L'analyse métabolomique a indiqué des changements importants induits par GHB au niveau central et périphérique, et ces effets sont importants pour son utilisation thérapeutique.

Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

Protection of pancreatic beta-cells by high density lipoproteins

SUMMARYThe incidence of type 2 diabetes (T2D) is increasing worldwide and is linked to the enhancement of obesity. The principal cause of T2D development is insulin resistance, which lead to the increase of insulin production by the pancreatic beta-cells. In a pathological environment, namely dyslipidaemia, hyperglycaemia and inflammation, beta-cell compensation will fail in more vulnerable cells and diabetes will occur. High Density Lipoproteins (HDLs), commonly named "good cholesterol" are known to be atheroprotective. Low levels of HDLs are associated with increased prevalence of cardiovascular disease but are also an independent risk factor for the development of T2D. HDLs were demonstrated to protect pancreatic beta-cells against several stresses. However the molecular mechanisms of the protection are unknown and the objectives of this work were to try to elucidate the way how HDLs protect. The first approach was a broad screening of genes regulated by the stress and HDLs. A microarray analysis was performed on beta-cells stressed by serum deprivation and rescued by HDLs. Among the genes regulated, we focused on 4E-BP1, a cap-dependent translational inhibitor. In addition, HDLs were also found to protect against several other stresses.Endoplasmic reticulum (ER) stress is a mechanism that may play a role in the onset of T2D. The unfolded protein response (UPR) is a physiological process that aims at maintaining ER homeostasis in conditions where the protein folding and secretion is perturbed. Specific signalling pathways are involved in the increase of folding, export and degradation capacity of the ER. However, in case where the stress is prolonged, this mechanism turns to be pathological, by inducing cell death effector pathways, leading to beta-cell apoptosis. In our study, we discovered that HDLs were protective against ER stress induced by drugs and physiological stresses such as saturated free fatty acids. HDLs protected beta-cells by promoting ER homeostasis via the improvement of the folding and trafficking od proteins from the ER to the Golgi apparatus.Altogether our results suggest that HDLs are important for beta-cell function and survival, by protecting them from several stresses and acting on ER homeostasis. This suggests that attempt in keeping normal HDLs levels or function in patients is crucial to lessen the development of T2D.RÉSUMÉL'incidence du diabète de type 2 est en constante augmentation et est fortement liée à l'accroissement du taux d'obésité. La cause principale du diabète de type 2 est la résistance à l'insuline, qui entraîne une surproduction d'insuline par les cellules bêta pancréatiques. Dans un environnement pathologique associé à l'obésité (dyslipidémie, hyperglycémie et inflammation), les cellules bêta les plus vulnérables ne sont plus capables de compenser en augmentant leur production d'insuline, dysfonctionnent, ce qui conduit à leur mort par apoptose. Les lipoprotéines de hautes densités (HDLs), communément appelées (( bon cholestérol », sont connues pour leurs propriétés protectrices contre l'athérosclérose. Des niveaux bas de HDLs sanguins sont associés au risque de développer un diabète de type 2. Les HDLs ont également montré des propriétés protectrices contre divers stresses dans la cellule bêta. Cependant, les mécanismes de protection restent encore inconnus et l'objectif de ce travail a été d'investiguer les mécanismes moléculaires de protection des HDLs. La première approche choisie a été une étude du profil d'expression génique par puce à ADN afin d'identifier les gènes régulés par le stress et les HDLs. Parmi les gènes régulés, notre intérêt s'est porté sur 4E-BP1, un inhibiteur de la traduction coiffe- dépendante, dont l'induction par le stress était corrélée avec une augmentation de l'apoptose. Suite à cette étude, les HDLs ont également montrés un rôle protecteur contre d'autres stresses. Il s'agit particulièrement du stress du réticulum endoplasmique (RE), qui est un mécanisme qui semble jouer un rôle clé dans le développement du diabète. L'UPR (« Unfolded Protein Response ») est un processus physiologique tendant à maintenir l'homéostasie du réticulum endoplasmique, organelle prépondérante pour la fonction des cellules sécrétrices, notamment lorsqu'elle est soumise à des conditions extrêmes telles que des perturbations de la conformation tertiaire des protéines ou de la sécrétion. Dans ces cas, des voies de signalisation moléculaires sont activées, ce qui mène à l'exportation des protéines mal repliées, à leur dégradation et à l'augmentation de l'expression de chaperonnes capables d'améliorer le repliement des protéines mal formées. Toutefois, en cas de stress persistant, ce mécanisme de protection s'avère être pathologique. En induisant des voies de signalisation effectrices de l'apoptose, il conduit finalement au développement du diabète. Dans cette étude, nous avons démontré que les HDLs étaient capables de protéger la cellule bêta contre le stress du RE induits par des inhibiteurs (thapsigargine, tunicamycine) ou des stresses physiologiques tels que les acides gras libres. Les HDLs ont la capacité d'améliorer l'homéostasie du RE, notamment en favorisant le repliement et le transfert des protéines du RE à l'appareil de Golgi.En résumé, ces données suggèrent que les HDLs sont bénéfiques pour la survie des cellules bêta soumises à des stresses impliqués dans le développement du diabète, notamment en restaurant l'homéostasie du RE. Ces résultats conduisent à soutenir que le maintien des taux de cholestérol joue un rôle important dans la limitation de l'incidence du diabète.

ARE PPARS NOVEL THERAPEUTIC TARGETS TO IMPROVE MELANOMA TREATMENT ?

Cutaneous melanoma is an aggressive malignant tumor of melanocytes, the pigment- producing cells of the epidermis, with a high incidence in developed countries. Despite some major clinical breakthroughs in the last few years, efficient therapies for metastatic melanoma, which portends a very bad prognosis, are still lacking. Among the potential therapeutic targets that have been attracting at-tention in melanoma are the peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs). These members - a, ß and 7 - of the nuclear hormone receptor family, which are ligand-gated transcription factors endowed with a multitude of functions besides metabolism homeostasis, have displayed promising antitumor properties in a wide range of cancer cells, including melanoma. However, our knowledge of PPARs' functions in this skin cancer is far from complete, making the usefulness of any of the a, ß or 7 isotype as a therapeutic target uncertain. In this work, we showed that all three PPAR isotypes are expressed in normal melanocytes, in most melanoma cell lines and in primary and metastatic melanomas, and that PPAR/3 and 7 display transcriptional activity in normal melanocytes and melanoma cells. We also showed that the PPAR7 agonist rosiglitazone had anti-melanoma properties largely independent of PPAR7 expression, which was widely varying across the different cell lines and melanoma biopsies we evaluated and was not correlated with cell line stage. Consistent with the general view of PPAR7 as a tumor suppressor gene, we found that, in human samples, PPAR7 was less expressed in melanoma than in normal skin. Transcriptornic profiling of metastatic melanoma cells in which PPAR7 was pharmacologically modulated revealed an association with epithelial-to-mesenchymal transition, though the functional relevance of this finding remains to be determined. Collectively, our results suggests that PPAR7 activity in melanoma is highly complex and that a straightforward picture of PPAR7's role in this skin cancer is difficult to draw. In this study, we also provided compelling evidence that thioredoxin interacting protein (TXNIP) is, in melanoma, a bona fide PPAR7 target gene, the expression of which is repressed by PPAR7 activation. Although TXNIP is mostly known as an inhibitor of the major antioxidant thioredoxin, it has demonstrated a range of biological functions and is generally considered as a tumor suppressor gene. Consistently, we found that TXNIP expression is associated with growth arrest of melanoma cells in vitro and that forced expression of TXNIP strongly impairs cell proliferation. Interestingly, we also discovered that TXNIP favors melanoma cell migration while it diminishes their adhesion. Finally, we provided several lines of evidence that TXNIP may regulate these processes at the transcriptional level as well as by direct protein-protein interactions in the plasma membrane. Altogether, our findings suggest that the PPAR7 target TXNIP may be a double-edged sword in melanoma, hindering tumor growth but promoting invasion and dissemination. Experiments to evaluate the net biological outcome of TXNIP modulation in vivo are ongoing. -- Le mélanome cutané est une tumeur maligne agressive des mélanocytes, cellules de l'épiderme qui produisent la mélanine. Ce cancer présente un taux d'incidence élevé dans les pays développés et est grevé d'un pronostic très sombre une fois qu'il a disséminé. Malgré les importants progrès réalisés ces dernières années, aucune thérapie lie s'est encore montrée véritablement efficace contre le mélanome métastatique. Parmi les cibles thérapeutiques potentielles, nombre de groupes de recherche se sont penchés sur les peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs). Ces récepteurs - a, ß et 7 - font partie de la famille des récepteurs nucléaires aux hormones, des facteurs de transcription activés par des ligands et dotés d'une multitude de fonctions en sus de la régulation du métabolisme. Ces protéines ont démontré des propriétés anti-tumorales prometteuses dans une large gamme de cellules cancéreuses, y compris le mélanome. Cependant, nous connaissons encore très mal les fonctions des PPARs dans ce cancer de la peau, rendant l'utilité thérapeutique de l'un des isotypes a, ß ou 7 incertaine. Dans ce travail, nous avons montré que les trois isotypes sont exprimés dans les mélanocytes normaux, dans la plupart des lignées de mélanome ainsi que dans des mélanomes primaires et métastatiques; nous avons aussi montré que PPAR/3 et 7 sont actifs sur le plan transcriptionnel dans les mélanocytes normaux et les cellules de mélanome. La rosiglitazone, un agoniste de PPAR7, a démontré des propriétés anti-mélanome essentiellement indépendantes de l'expression de PPAR7, qui semble très variable dans les lignées et les biopsies que nous avons évaluées; de plus, l'expression de PPAR7 n'est pas corrélée avec le stade de la lignée. En accord avec la vision communément admise de PPAR7 comme étant un gène suppresseur de tumeur, nous avons observé dans des échantillons humains que PPAR7 est moins exprimé dans les mélanomes que dans la peau normale. Une étude transcrip- tomique de cellules de mélanome métastatique a révélé que la modulation phar-macologique de PPAR7 est associée avec la transition épithélio-mésenchymateuse, même si la pertinence fonctionnelle de cette trouvaille reste à déterminer. Collec-tivement, ces résultats suggèrent que l'activité de PPAR/y dans le mélanome est hautement complexe et qu'une image claire du rôle de PPAR7 dans ce cancer est difficile à dessiner. Dans cette étude, nous avons également fourni de solides preuves que la thiore-doxin interacting protein (TXNIP) est, dans le mélanome, un gène cible bona fide de PPAR7 dont l'expression est réprimée par l'activation de PPAR7. Bien que TXNIP soit surtout connu comme un inhibiteur de la thiorédoxine -un anti-oxydant majeur - cette protéine a démontré une large gamme de fonctions biologiques et est généralement considérée comme un gène suppresseur de tumeur. En accord avec cette conception, nous avons trouvé que l'expression de TXNIP est associée avec l'arrêt de croissance des cellules de mélanome in vitro et que l'expression forcée de TXNIP freine considérablement la prolifération cellulaire. Nous avons aussi découvert que TXNIP favorise la migration des cellules de mélanome alors qu'elle diminue leur adhésion. Enfin, nous avons obtenu plusieurs preuves que TXNIP pourrait réguler ces processus tant au niveau transcriptionnel que par des interactions protéine-protéine au sein de la membrane plasmique. En conclusion, nos résultats suggèrent que la cible de PPAR7 TXNIP pourrait être une épée à double tranchant dans le mélanome, freinant la croissance tumorale mais favorisant l'invasion et la dissémination. Des expériences permettant d'évaluer l'effet biologique net de la modulation de TXNIP in vivo sont en cours.

Establishment of models to study mouse and human retinogenesis "in vitro" : isolation and characterization of retinal stem cells

SUMMARY IN FRENCH Les cellules souches sont des cellules indifférenciées capables a) de proliférer, b) de s'auto¬renouveller, c) de produire des cellules différenciées, postmitotiques et fonctionnelles (multipotencialité), et d) de régénérer le tissu après des lésions. Par exemple, les cellules de souches hematopoiétiques, situées dans la moelle osseuse, peuvent s'amplifier, se diviser et produire diverses cellules différenciées au cours de la vie, les cellules souches restant dans la moelle osseuse et consentant leur propriété. Les cellules souches intestinales, situées dans la crypte des microvillosités peuvent également régénérer tout l'intestin au cours de la vie. La rétine se compose de six classes de neurones et d'un type de cellule gliale. Tous ces types de cellules sont produits par un progéniteur rétinien. Le pic de production des photorécepteurs se situe autour des premiers jours postnatals chez la souris. A cette période la rétine contient les cellules hautement prolifératives. Dans cette étude, nous avons voulu analyser le phénotype de ces cellules et leur potentiel en tant que cellules souches ou progénitrices. Nous nous sommes également concentrés sur l'effet de certains facteurs épigéniques sur leur destin cellulaire. Nous avons observé que toutes les cellules prolifératives isolées à partir de neurorétines postnatales de souris expriment le marqueur de glie radiaire RC2, ainsi que des facteurs de transcription habituellement trouvés dans la glie radiaire (Mash1, Pax6), et répondent aux critères des cellules souches : une capacité élevée d'expansion, un état indifférencié, la multipotencialité (démontrée par analyse clonale). Nous avons étudié la différentiation des cellules dans différents milieux de culture. En l'absence de sérum, l'EGF induit l'expression de la β-tubulin-III, un marqueur neuronal, et l'acquisition d'une morphologie neuronale, ceci dans 15% des cellules présentes. Nous avons également analysé la prolifération de cellules. Seulement 20% des cellules incorporent le bromodéoxyuridine (BrdU) qui est un marqueur de division cellulaire. Ceci démontre que l'EGF induit la formation des neurones sans une progression massive du cycle cellulaire. Par ailleurs, une stimulation de 2h d'EGF est suffisante pour induire la différentiation neuronale. Certains des neurones formés sont des cellules ganglionnaires rétiniennes (GR), comme l'indique l'expression de marqueurs de cellules ganglionnaires (Ath5, Brn3b et mélanopsine), et dans de rare cas d'autres neurones rétiniens ont été observés (photorécepteurs (PR) et cellules bipolaires). Nous avons confirmé que les cellules souches rétiniennes tardives n'étaient pas restreintes au cours du temps et qu'elles conservent leur multipotencialité en étant capables de générer des neurones dits précoces (GR) ou tardifs (PR). Nos résultats prouvent que l'EGF est non seulement un facteur contrôlant le développement glial, comme précédemment démontré, mais également un facteur efficace de différentiation pour les neurones rétiniens, du moins in vitro. D'autre part, nous avons voulu établir si l'oeil adulte humain contient des cellules souches rétiniennes (CSRs). L'oeil de certains poissons ou amphibiens continue de croître pendant l'âge adulte du fait de l'activité persistante des cellules souches rétiniennes. Chez les poissons, le CSRs se situe dans la marge ciliaire (CM) à la périphérie de la rétine. Bien que l'oeil des mammifères ne se développe plus pendant la vie d'adulte, plusieurs groupes ont prouvé que l'oeil de mammifères adultes contient des cellules souches rétiniennes également dans la marge ciliaire plus précisément dans l'épithélium pigmenté et non dans la neurorétine. Ces CSRs répondent à certains critères des cellules souches. Nous avons identifié et caractérisé les cellules souches rétiniennes résidant dans l'oeil adulte humain. Nous avons prouvé qu'elles partagent les mêmes propriétés que leurs homologues chez les rongeurs c.-à-d. auto-renouvellement, amplification, et différenciation en neurones rétiniens in vitro et in vivo (démontré par immunocoloration et microarray). D'autre part, ces cellules peuvent être considérablement amplifiées, tout en conservant leur potentiel de cellules souches, comme indiqué par l'analyse de leur profil d'expression génique (microarray). Elles expriment également des gènes communs à diverses cellules souches: nucleostemin, nestin, Brni1, Notch2, ABCG2, c-kit et son ligand, aussi bien que cyclin D3 qui agit en aval de c-kit. Nous avons pu montré que Bmi1et Oct4 sont nécessaires pour la prolifération des CSRs confortant leur propriété de cellules souches. Nos données indiquent que la neurorétine postnatale chez la souris et l'épithélium pigmenté de la marge ciliaire chez l'humain adulte contiennent les cellules souches rétiniennes. En outre, nous avons développé un système qui permet d'amplifier et de cultiver facilement les CSRs. Ce modèle permet de disséquer les mécanismes impliqués lors de la retinogenèse. Par exemple, ce système peut être employé pour l'étude des substances ou des facteurs impliqués, par exemple, dans la survie ou dans la génération des cellules rétiniennes. Il peut également aider à disséquer la fonction de gènes ou les facteurs impliqués dans la restriction ou la spécification du destin cellulaire. En outre, dans les pays occidentaux, la rétinite pigmentaire (RP) touche 1 individu sur 3500 et la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) affecte 1 % à 3% de la population âgée de plus de 60 ans. La génération in vitro de cellules rétiniennes est aussi un outil prometteur pour fournir une source illimitée de cellules pour l'étude de transplantation cellulaire pour la rétine. SUMMARY IN ENGLISH Stem cells are defined as undifferentiated cells capable of a) proliferation, b) self maintenance (self-renewability), c) production of many differentiated functional postmitotic cells (multipotency), and d) regenerating tissue after injury. For instance, hematopoietic stem cells, located in bone marrow, can expand, divide and generate differentiated cells into the diverse lineages throughout life, the stem cells conserving their status. In the villi crypt, the intestinal stem cells are also able to regenerate the intestine during their life time. The retina is composed of six classes of neurons and one glial cell. All these cell types are produced by the retinal progenitor cell. The peak of photoreceptor production is reached around the first postnatal days in rodents. Thus, at this stage the retina contains highly proliferative cells. In our research, we analyzed the phenotype of these cells and their potential as possible progenitor or stem cells. We also focused on the effect of epigenic factor(s) and cell fate determination. All the proliferating cells isolated from mice postnatal neuroretina harbored the radial glia marker RC2, expressed transcription factors usually found in radial glia (Mash 1, Pax6), and met the criteria of stem cells: high capacity of expansion, maintenance of an undifferentiated state, and multipotency demonstrated by clonal analysis. We analyzed the differentiation seven days after the transfer of the cells in different culture media. In the absence of serum, EGF led to the expression of the neuronal marker β-tubulin-III, and the acquisition of neuronal morphology in 15% of the cells. Analysis of cell proliferation by bromodeoxyuridine incorporation revealed that EGF mainly induced the formation of neurons without stimulating massively cell cycle progression. Moreover, a pulse of 2h EGF stimulation was sufficient to induce neuronal differentiation. Some neurons were committed to the retinal ganglion cell (RGC) phenotype, as revealed by the expression of retinal ganglion markers (Ath5, Brn3b and melanopsin), and in few cases to other retinal phenotypes (photoreceptors (PRs) and bipolar cells). We confirmed that the late RSCs were not restricted over-time and conserved multipotentcy characteristics by generating retinal phenotypes that usually appear at early (RGC) or late (PRs) developmental stages. Our results show that EGF is not only a factor controlling glial development, as previously shown, but also a potent differentiation factor for retinal neurons, at least in vitro. On the other hand, we wanted to find out if the adult human eye contains retina stem cells. The eye of some fishes and amphibians continues to grow during adulthood due to the persistent activity of retinal stem cells (RSCs). In fish, the RSCs are located in the ciliary margin zone (CMZ) at the periphery of the retina. Although, the adult mammalian eye does not grow during adult life, several groups have shown that the adult mouse eye contains retinal stem cells in the homologous zone (i.e. the ciliary margin), in the pigmented epithelium and not in the neuroretina. These RSCs meet some criteria of stem cells. We identified and characterized the human retinal stem cells. We showed that they posses the same features as their rodent counterpart i.e. they self-renew, expand and differentiate into retinal neurons in vitro and in vivo (indicated by immunostaining and microarray analysis). Moreover, they can be greatly expanded while conserving their sternness potential as revealed by the gene expression profile analysis (microarray approach). They also expressed genes common to various stem cells: nucleostemin, nestin, Bmil , Notch2, ABCG2, c-kit and its ligand, as well as cyclin D3 which acts downstream of c-kit. Furthermore, Bmil and Oct-4 were required for RSC proliferation reinforcing their stem cell identity. Our data indicate that the mice postnatal neuroretina and the adult pigmented epithelium of adult human ciliary margin contain retinal stem cells. We developed a system to easily expand and culture RSCs that can be used to investigate the retinogenesis. For example, it can help to screen drugs or factors involved, for instance, in the survival or generation of retinal cells. This could help to dissect genes or factors involved in the restriction or specification of retinal cell fate. In Western countries, retinitis pigmentosa (RP) affects 1 out of 3'500 individuals and age-related macula degeneration (AMD) strikes 1 % to 3% of the population over 60. In vitro generation of retinal cells is thus a promising tool to provide an unlimited cell source for cellular transplantation studies in the retina.

Explorer le cerveau avec l'imagerie du connectome.

Objectifs: comprendre que les connections cérébrales forment un réseau structurel complexe de grande taille, comprendre que l'organisation architecturale de ce réseau définit les propriétés fonctionnelles de ce dernier, comprendre qu'il y a une interdépendance intime entre la structure et la fonction , le métabolisme, comprendre que le réseau change au cours du développement ou lors de lésions ou maladie cérébrale. Messages à retenir: le cerveau est un réseau neuronal complexe qui peut être mesurer avec l'IRM, la connectivité cérébrale est inhomogène, la connectivité structurelle détermine largement la fonction cérébrale, les réseau neuronaux se modifient au cours de la vie et dans certaines maladies cérébrales. Résumé: La "connectomique" est un domaine émergeant et prometteur des neurosciences qui utilise l'IRM de diffusion en combinaison avec des traitements algorithmiques avancés afin de mesurer les trajectoires de faisceaux de fibres et la connectivité cérébrale permettant d'étudier l'organisation de la structure du réseau neuronal cérébral dans son ensemble. Lors de ce cours nous reverrons les méthodes rendant cette cartographie possible et exposerons les techniques d'analyse utilisées pour obtenir de nouvelles informations sur l'architecture cérébrale. Nous reverrons également un certains nombre d'exemple d'applications où la connectomique offre une nouvelle manière d'analyser et de comprendre le fonctionnement du cerveau normal ou malade.

Increasing lactate turnover rate during exercise by means of altitude training and fructose ingestion : effects on substrate metabolism and endurance performance

Summary : With regard to exercise metabolism, lactate was long considered as a dead-end waste product responsible for muscle fatigue and a limiting factor for motor performance. However, a large body of evidence clearly indicates that lactate is an energy efficient metabolite able to link the glycolytic pathway with aerobic metabolism and has endocrine-like actions, rather than to be a dead-end waste product. Lactate metabolism is also known to be quickly upregulated by regular endurance training and is thought to be related to exercise performance. However, to what extent its modulation can increase exercise performance in already endurance-trained subjects is unknown. The general hypothesis of this work was therefore that increasing either lactate metabolic clearance rate or lactate availability could, in turn, increase endurance performance. The first study (Study I) aimed at increasing the lactate clearance rate by means of assumed interaction effects of endurance training and hypoxia on lactate metabolism and endurance performance. Although this study did not demonstrate any interaction of training and hypoxia on both lactate metabolism and endurance performance, a significant deleterious effect of endurance training in hypoxia was shown on glucose homeostasis. The methods used to determine lactate kinetics during exercise exhibited some limitations, and the second study did delineate some of the issues raised (Study 2). The third study (Study 3) investigated the metabolic and performance effects of increasing plasma lactate production and availability during prolonged exercise in the fed state. A nutritional intervention was used for this purpose: part of glucose feedings ingested during the control condition was substituted by fructose. The results of this study showed a significant increase of lactate turnover rate, quantified the metabolic fate of fructose; and demonstrated a significant decrease of lipid oxidation and glycogen breakdown. In contrast, endurance performance appeared to be unmodified by this dietary intervention, being at odds with recent reports. Altogether the results of this thesis suggest that in endurance athletes the relationship between endurance performance and lactate turnover rate remains unclear. Nonetheless, the result of the present study raises questions and opens perspectives on the rationale of using hypoxia as a therapeutic aid for the treatment of insulin resistance. Moreover, the results of the second study open perspectives on the role of lactate as an intermediate metabolite and its modulatory effects on substrate metabolism during exercise. Additionally it is suggested that the simple nutritional intervention used in the third study can be of interest in the investigation on the aforementioned roles of lactate. Résumé : Lorsque le lactate est évoqué en rapport avec l'exercice, il est souvent considéré comme un déchet métabolique responsable de l'acidose métabolique, de la fatigue musculaire ou encore comme un facteur limitant de la performance. Or la littérature montre clairement que le lactate se révèle être plutôt un métabolite utilisé efficacement par de nombreux tissus par les voies oxydatives et, ainsi, il peut être considéré comme un lien entre le métabolisme glycolytique et le métabolisme oxydatif. De plus on lui prête des propriétés endocrines. Il est connu que l'entraînement d'endurance accroît rapidement le métabolisme du lactate, et il est suggéré que la performance d'endurance est liée à son métabolisme. Toutefois la relation entre le taux de renouvellement du lactate et la performance d'endurance est peu claire, et, de même, de quelle manière la modulation de son métabolisme peut influencer cette dernière. Le but de cette thèse était en conséquence d'investiguer de quelle manière et à quel degré l'augmentation du métabolisme du lactate, par l'augmentation de sa clearance et de son turnover, pouvait à son tour améliorer la performance d'endurance de sujets entraînés. L'objectif de la première étude a été d'augmenter la clearance du lactate par le biais d'un entraînement en conditions hypoxiques chez des cyclistes d'endurance. Basé sur la littérature scientifique existante, on a fait l'hypothèse que l'entraînement d'endurance et l'hypoxie exerceraient un effet synergétique sur le métabolisme du lactate et sur la performance, ce qui permettrait de montrer des relations entre performance et métabolisme du lactate. Les résultats de cette étude n'ont montré aucun effet synergique sur la performance ou le métabolisme du lactate. Toutefois, un effet délétère sur le métabolisme du glucose a été démontré. Quelques limitations de la méthode employée pour la mesure du métabolisme du lactate ont été soulevées, et partiellement résolues dans la seconde étude de ce travail, qui avait pour but d'évaluer la sensibilité du modèle pharmacodynamique utilisé pour le calcul du turnover du lactate. La troisième étude a investigué l'effet d'une augmentation de la lactatémie sur le métabolisme des substrats et sur la performance par une intervention nutritionnelle substituant une partie de glucose ingéré pendant l'exercice par du fructose. Les résultats montrent que les composants dynamiques du métabolisme du lactate sont significativement augmentés en présence de fructose, et que les oxydations de graisse et de glycogène sont significativement diminuées. Toutefois aucun effet sur la performance n'a été démontré. Les résultats de ces études montrent que la relation entre le métabolisme du lactate et la performance reste peu claire. Les résultats délétères de la première étude laissent envisager des pistes de travail, étant donné que l'entraînement en hypoxie est considéré comme outil thérapeutique dans le traitement de pathologies liées à la résistance à l'insuline. De plus les résultats de la troisième étude ouvrent des perspectives de travail quant au rôle du lactate comme intermédiaire métabolique durant l'exercice ainsi que sur ses effets directs sur le métabolisme. Ils suggèrent de plus que la manipulation nutritionnelle simple qui a été utilisée se révèle être un outil prometteur dans l'étude des rôles et effets métaboliques que peut revêtir le lactate durant l'exercice.

New insights into the role of microRNAs in pancreatic ß-cell maturation and plasticity

Le diabète est une maladie chronique caractérisée par une élévation du taux de sucre dans le sang aussi appelé « glycémie » reflétant un état pathologique. L'élévation de la glycémie au long cours a des répercussions délétères sur nombreux de nos tissus et organes d'où l'apparition de complications sévères chez les sujets diabétiques pouvant atteindre les yeux, les reins, le système nerveux, le système cardiovasculaire et les membres inférieurs. La carence en une hormone essentielle à notre organisme, l'insuline, est au coeur du développement de la maladie. L'insuline induit la captation du glucose circulant dans le sang en excès suite à une prise alimentaire riche en glucides et favorise son utilisation et éventuellement son stockage dans les tissus tels que le foie, le tissu adipeux et les muscles. Ainsi, l'insuline est vitale pour réguler et maintenir stable notre niveau de glycémie. Les cellules bêta du pancréas sont les seules entités de notre corps capables de produire de l'insuline et une perte de fonctionnalité associée à leur destruction ont été mises en cause dans le processus pathologique du diabète de type 2. Cependant la pleine fonctionnalité et la maturation des cellules bêta n'apparaissent qu'après la naissance lorsque le pancréas en développement a atteint sa masse adulte définitive. Enfin, une fois la masse des cellules bêta définitive établie, leur nombre et volume restent relativement constants au cours de la vie adulte chez un sujet sain. Néanmoins, au cours de périodes critiques les besoins en insuline sont augmentés tel qu'observé chez les femmes enceintes et les personnes obèses qui ont une perte de sensibilité à l'insuline qui se traduit par la nécessité de sécréter plus d'insuline afin de maintenir une glycémie normale. Dans l'hypothèse où la compensation n'a pas lieu ou n'est pas aboutie, le diabète se développe. Le processus de maturation postnatale ainsi que les événements compensatoires sont donc des étapes essentielles et de nombreuses questions sont encore non résolues concernant l'identification des mécanismes les régulant. Parmi les acteurs potentiels figurent de petites molécules d'ARN découvertes récemment appelées microARNs et qui ont été rapidement suggérées très prometteuses dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans le cadre du diabète et d'autres pathologies. Les microARNs vont réguler l'expression de notre génome sans en modifier la séquence, phénomène également appelé épigénétique, ce qui résulte en des différences de comportement et de fonction cellulaires. Les microARNs sont donc susceptibles de jouer un rôle clé dans l'ensemble des processus biologiques et notre environnement associé à nos prédispositions génétiques peuvent grandement modifier leur niveau et donc leur action, qui à son tour se répercutera sur notre état physiologique. En effet nous avons identifié des changements de microARNs dans les cellules d'îlots pancréatiques de modèles animaux (rats et souris) associés à un état de résistance à l'insuline (grossesse et obésité). Par le biais d'expériences in vitro sur des cellules bêta extraites de rats et conservées en culture, nous avons pu analyser de plus près l'implication des microARNs dans la capacité des cellules bêta à sécréter de l'insuline mais aussi à se multiplier et à survivre au sein d'un environnement toxique. Ainsi, nous avons identifié des microARNs qui participent positivement à la compensation des cellules bêta, sous la direction d'hormones telles les estrogènes ou d'une hormone libérée par l'intestin au cours de la digestion (l'inerétine GLP1) et qui est largement utilisée comme agent thérapeutique dans la médication contre le diabète. Dans un second temps nous avons utilisé une stratégie similaire afin de déterminer le rôle de microARNs préalablement détectés comme étant changés au cours du développement postnatal des cellules bêta chez le rat. Cette étude a également mené à l'identification de microARNs participant à la maturation et à l'expansion de la masse des cellules bêta sous l'influence de la composition du régime alimentaire et des besoins en insuline adéquats qui en dépendent. Ces études apportent la vision de nouveaux mécanismes moléculaires impliquant les microARNs et démontrant leur importance pour le bon fonctionnement des cellules bêta et leur capacité d'adaptation à l'environnement. -- Les cellules bêta sont une composante des îlots pancréatiques de Langerhans et sont des cellules hautement différenciées qui ont l'unique capacité de sécréter de l'insuline sous l'influence des nutriments suite à une prise alimentaire. L'insuline facilite l'incorporation de glucose dans ses tissus cibles tels le foie, le tissu adipeux et les muscles. Bien que les besoins en insuline soient relativement constants au cours de la vie d'un individu sain, certaines conditions associées à un état de résistance à l'insuline, telles la grossesse ou l'obésité, requièrent une libération d'insuline majorée. En cas de résistance à l'insuline, une dysfonction des cellules bêta plus ou moins associée à leur mort cellulaire, conduisent à une sécrétion d'insuline insuffisante et au développement d'une hyperglycémie chronique, caractéristique du diabète de type 2. Jusqu'à présent, les mécanismes moléculaires sous- jacents à la compensation des cellules bêta ou encore menant à leur dysfonction restent peu connus. Découverts récemment, les petits ARNs non-codant appelés microARNs (miARNs), suscitent un intérêt grandissant de par leur potentiel thérapeutique pour la prise en charge et le traitement du diabète. Les miARNs sont de puissants régulateurs de l'expression génique qui lient directement le 3'UTR de leurs ARN messagers cibles afin d'inhiber leur traduction ou d'induire leur dégradation, ce qui leur permet de contrôler des fonctions biologiques multiples. Ainsi, nous avons pris pour hypothèse que les miARNs pourraient jouer un rôle essentiel en maintenant la fonction des cellules bêta et des processus compensatoires afin de prévenir le développement du diabète. Lors d'une première étude, une analyse transcriptomique a permis l'identification de miARNs différemment exprimés au sein d'îlots pancréatiques de rattes gestantes. Parmi eux, le miR-338-3p a démontré la capacité de promouvoir la prolifération et la survie des cellules bêta exposées à des acides gras saturés et des cytokines pro-inflammatoires, sans altérer leur propriété sécrétrice d'insuline. Nous avons également identifié deux hormones reconnues pour leurs propriétés bénéfiques pour la physiologie de la cellule bêta, l'estradiol et l'incrétine GLP1, qui régulent les niveaux du miR-338-3p. Ce miARN intègre parfaitement les voies de signalisation de ces deux hormones dépendantes de l'AMP cyclique, afin de contrôler l'expression de nombreux gènes conduisant à son action biologique. Dans un projet ultérieur, notre objectif était de déterminer la contribution de miARNs dans l'acquisition de l'identité fonctionnelle des cellules bêta en période postnatale. En effet, directement après la naissance les cellules bêta sont reconnues pour être encore immatures et incapables de sécréter de l'insuline spécifiquement en réponse à l'élévation de la glycémie. Au contraire, la réponse insulinique induite par les acides aminés ainsi que la biosynthèse d'insuline sont déjà fonctionnelles. Nos recherches ont permis de montrer que les changements de miARNs corrélés avec l'apparition du phénotype sécrétoire en réponse au glucose, sont régis par la composition nutritionnelle du régime alimentaire et des besoins en insuline qui en découlent. En parallèle, le taux de prolifération des cellules bêta est considérablement réduit. Les miARNs que nous avons étudiés coordonnent des changements d'expression de gènes clés impliqués dans l'acquisition de propriétés vitales de la cellule bêta et dans la maintenancé de son identité propre. Enfin, ces études ont permis de clairement démontrer l'importance des miARNs dans la régulation de la fonction des cellules bêta pancréatiques. -- Beta-cells are highly differentiated cells localized in the pancreatic islets and are characterized by the unique property of secreting insulin in response to nutrient stimulation after meal intake. Insulin is then in charge of facilitating glucose uptake by insulin target tissues such as liver, adipose tissue and muscles. Despite insulin needs stay more or less constant throughout life of healthy individuals, there are circumstances such as during pregnancy or obesity which are associated to insulin resistance, where insulin needs are increased. In this context, defects in beta-cell function, sometimes associated with beta-cell loss, may result in the release of inappropriate amounts of insulin leading to chronic hyperglycemia, properly defined as type 2 diabetes mellitus. So far, the mechanisms underlying beta- cell compensation as well as beta-cell failure remain to be established. The recently discovered small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) are emerging as interesting therapeutic targets and are bringing new hope for the treatment of diabetes. miRNAs display a massive potential in regulating gene expression by directly binding to the 3'UTR of messenger RNAs and by inhibiting their translation and/or stability, enabling them to modify a wide range of biological functions. In view of this, we hypothesized that miRNAs may play an essential role in preserving the functional beta-cell mass and permitting to fight against beta-cell exhaustion and decompensation that can lead to diabetes development. In a first study, global profiling in pancreatic islets of pregnant rats, a model of insulin resistance, led to the identification of a set of differentially expressed miRNAs. Among them, miR-338- 3p was found to promote beta-cell proliferation and survival upon exposure of islet cells to pro- apoptotic stimuli such as saturated fatty acids or pro-inflammatory cytokines, without impairment in their capacity to release insulin. We also discovered that miR-338-3p changes are driven by two hormones, the estradiol and the incretin GLP1, both well known for their beneficial impact on beta- cell physiology. Consistently, we found that miR-338-3p integrates the cAMP-dependent signaling pathways regulated by these two hormones in order to control the expression of numerous genes and execute its biological functions. In a second project, we aimed at determining whether miRNAs contribute to the acquisition of beta-cell identity. Indeed, we confirmed that right after birth beta-cells are still immature and are unable to secrete insulin specifically in response to elevated concentrations of glucose. In contrast, amino acid-stimulated insulin release as well as insulin biosynthesis are already fully functional. In parallel, newborn beta-cells are proliferating intensively within the expanding pancreas. Interestingly, we demonstrated that the miRNA changes and the subsequent acquisition of glucose responsiveness is influenced by the diet composition and the resulting insulin needs. At the same time, beta-cell proliferation declines. The miRNAs that we have identified orchestrate expression changes of essential genes involved in the acquisition of specific beta-cell properties and in the maintenance of a mature beta-cell identity. Altogether, these studies clearly demonstrate that miRNAs play important roles in the regulation of beta-cell function.