A role for the transcriptional repressor ICER in the molecular pathogenesis of type 2 diabetes

AbstractType 2 diabetes (T2D) is a metabolic disease which affects more than 200 millions people worldwide. The progression of this affection reaches nowadays epidemic proportions, owing to the constant augmentation in the frequency of overweight, obesity and sedentary. The pathogenesis of T2D is characterized by reduction in the action of insulin on its target tissues - an alteration referred as insulin resistance - and pancreatic β-cell dysfunction. This latter deterioration is defined by impairment in insulin biosynthesis and secretion, and a loss of β-cell mass by apoptosis. Environmental factors related to T2D, such as chronic elevation in glucose and free fatty acids levels, inflammatory cytokines and pro-atherogenic oxidized low- density lipoproteins (LDL), contribute to the loss of pancreatic β-cell function.In this study, we have demonstrated that the transcription factor Inducible Cyclic AMP Early Repressor (ICER) participates to the progression of both β-cell dysfunction and insulin resistance. The expression of this factor is driven by an alternative promoter and ICER protein represents therefore a truncated product of the Cyclic AMP Response Element Modulator (CREM) family which lacks transactivation domain. Consequently, the transcription factor ICER acts as a passive repressor which reduces expression of genes controlled by the cyclic AMP and Cyclic AMP Response Element Binding protein (CREB) pathway.In insulin-secreting cells, the accumulation of reactive oxygen species caused by environmental factors and notably oxidized LDL - a process known as oxidative stress - induces the transcription factor ICER. This transcriptional repressor hampers the secretory capacity of β-cells by silencing key genes of the exocytotic machinery. In addition, the factor ICER reduces the expression of the scaffold protein Islet Brain 1 (IB 1 ), thereby favouring the activation of the c-Jun N-terminal Kinase (JNK) pathway. This triggering alters in turn insulin biosynthesis and survival capacities of pancreatic β-cells.In the adipose tissue of mice and human subjects suffering from obesity, the transcription factor ICER contributes to the alteration in insulin action. The loss in ICER protein in these tissues induces a constant activation of the CREB pathway and the subsequent expression of the Activating Transcription Factor 3 (ATF3). In turn, this repressor reduces the transcript levels of the glucose transporter GLUT4 and the insulin-sensitizer peptide adiponectin, thereby contributing to the diminution in insulin action.In conclusion, these data shed light on the important role of the transcriptional repressor ICER in the pathogenesis of T2D, which contributes to both alteration in β-cell function and aggravation of insulin resistance. Consequently, a better understanding of the molecular mechanisms responsible for the alterations in ICER levels is required and could lead to develop new therapeutic strategies for the treatment of T2D.RésuméLe diabète de type 2 (DT2) est une maladie métabolique qui affecte plus de 200 millions de personnes dans le monde. La progression de cette affection atteint aujourd'hui des proportions épidémiques imputables à l'augmentation rapide dans les fréquences du surpoids, de l'obésité et de la sédentarité. La pathogenèse du DT2 se caractérise par une diminution de l'action de l'insuline sur ses tissus cibles - un processus nommé insulino-résistance - ainsi qu'une dysfonction des cellules β pancréatiques sécrétrices d'insuline. Cette dernière détérioration se définit par une réduction de la capacité de synthèse et de sécrétion de l'insuline et mène finalement à une perte de la masse de cellules β par apoptose. Des facteurs environnementaux fréquemment associés au DT2, tels l'élévation chronique des taux plasmatiques de glucose et d'acides gras libres, les cytokines pro-inflammatoires et les lipoprotéines de faible densité (LDL) oxydées, contribuent à la perte de fonction des cellules β pancréatiques.Dans cette étude, nous avons démontré que le facteur de transcription « Inducible Cyclic AMP Early Repressor » (ICER) participe à la progression de la dysfonction des cellules β pancréatiques et au développement de Pinsulino-résistance. Son expression étant gouvernée par un promoteur alternatif, la protéine d'ICER représente un produit tronqué de la famille des «Cyclic AMP Response Element Modulator » (CREM), sans domaine de transactivation. Par conséquent, le facteur ICER agit comme un répresseur passif qui réduit l'expression des gènes contrôlés par la voie de l'AMP cyclique et des « Cyclic AMP Response Element Binding protein » (CREB).Dans les cellules sécrétrices d'insuline, l'accumulation de radicaux d'oxygène libres, soutenue par les facteurs environnementaux et notamment les LDL oxydées - un processus appelé stress oxydatif- induit de manière ininterrompue le facteur de transcription ICER. Ainsi activé, ce répresseur transcriptionnel altère la capacité sécrétoire des cellules β en bloquant l'expression de gènes clés de la machinerie d'exocytose. En outre, le facteur ICER favorise l'activation de la cascade de signalisation « c-Jun N- terminal Kinase » (JNK) en réduisant l'expression de la protéine « Islet Brain 1 » (IB1), altérant ainsi les fonctions de biosynthèse de l'insuline et de survie des cellules β pancréatiques.Dans le tissu adipeux des souris et des sujets humains souffrant d'obésité, le facteur de transcription ICER contribue à l'altération de la réponse à l'insuline. La disparition de la protéine ICER dans ces tissus entraîne une activation persistante de la voie de signalisation des CREB et une induction du facteur de transcription « Activating Transcription Factor 3 » (ATF3). A son tour, le répresseur ATF3 inhibe l'expression du transporteur de glucose GLUT4 et du peptide adipocytaire insulino-sensibilisateur adiponectine, contribuant ainsi à la diminution de l'action de l'insuline en conditions d'obésité.En conclusion, à la lumière de ces résultats, le répresseur transcriptionnel ICER apparaît comme un facteur important dans la pathogenèse du DT2, en participant à la perte de fonction des cellules β pancréatiques et à l'aggravation de l'insulino-résistance. Par conséquent, l'étude des mécanismes moléculaires responsables de l'altération des niveaux du facteur ICER pourrait permettre le développement de nouvelles stratégies de traitement du DT2.Résumé didactiqueL'énergie nécessaire au bon fonctionnement de l'organisme est fournie par l'alimentation, notamment sous forme de sucres (glucides). Ceux-ci sont dégradés en glucose, lequel sera distribué aux différents organes par la circulation sanguine. Après un repas, le niveau de glucose sanguin, nommé glycémie, s'élève et favorise la sécrétion d'une hormone appelée insuline par les cellules β du pancréas. L'insuline permet, à son tour, aux organes, tels le foie, les muscles et le tissu adipeux de capter et d'utiliser le glucose ; la glycémie retrouve ainsi son niveau basai.Le diabète de type 2 (DT2) est une maladie métabolique qui affecte plus de 200 millions de personnes dans le monde. Le développement de cette affection est causée par deux processus pathologiques. D'une part, les quantités d'insuline secrétée par les cellules β pancréatiques, ainsi que la survie de ces cellules sont réduites, un phénomène connu sous le nom de dysfonction des cellules β. D'autre part, la sensibilité des tissus à l'insuline se trouve diminuée. Cette dernière altération, l'insulino-résistance, empêche le transport et l'utilisation du glucose par les tissus et mène à une accumulation de ce sucre dans le sang. Cette stagnation de glucose dans le compartiment sanguin est appelée hyperglycémie et favorise l'apparition des complications secondaires du diabète, telles que les maladies cardiovasculaires, l'insuffisance rénale, la cécité et la perte de sensibilité des extrémités.Dans cette étude, nous avons démontré que le facteur ICER qui contrôle spécifiquement l'expression de certains gènes, contribue non seulement à la dysfonction des cellules β, mais aussi au développement de l'insulino-résistance. En effet, dans les cellules β pancréatiques en conditions diabétiques, l'activation du facteur ICER altère la capacité de synthèse et de sécrétion d'insuline et réduit la survie ces cellules.Dans le tissu adipeux des souris et des sujets humains souffrant d'obésité, le facteur ICER contribue à la perte de sensibilité à l'insuline. La disparition d'ICER altère l'expression de la protéine qui capte le glucose, le transoprteur GLUT4, et l'hormone adipocytaire favorisant la sensibilité à l'insuline, nommée adiponectine. Ainsi, la perte d'ICER participe à la réduction de la captation de glucose par le tissue adipeux et au développement de l'insulino-résistance au cours de l'obésité.En conclusion, à la lumière de ces résultats, le facteur ICER apparaît comme un contributeur important à la progression du DT2, en soutenant la dysfonction des cellules β pancréatiques et l'aggravation de l'insulino-résistance. Par conséquent, l'étude des mécanismes responsables de la dérégulation du facteur ICER pourrait permettre le développement de nouvelles stratégies de traitement du DT2.

Investigation of the hepatitis C virus replication complex.

The NS5A protein of HCV is an essential component of the viral RNA replication machinery and may also function in modulation of the host cell environment. The exact function of NS5A in these processes remains unknown. NS5A is a large hydrophilic phosphoprotein protein consisting of three domains. The amino-terminal domain, designated domain I, coordinates a single zinc atom that is required for virus replication. We have determined the X-ray crystallographic structure of the domain I region of NS5A, and the structure sheds some light on the previously reported RNA binding activity observed for NS5A and suggests that the protein functions as a dimer. Here we describe the bacterial expression, purification, crystallization, and structural determination of the amino-terminal domain I of NS5A. The methods described herein should be of use for the generation of domain I for biochemical studies as well as future crystallization studies as antiviral compounds directed against this region of NS5A become available.

The role of PLK-1 in asynchronous cell division of two-cell stage "C. elegans" embryos

Summary Acquisition of lineage-specific cell cycle duration is an important feature of metazoan development. In Caenorhabditis a/egans, differences in cell cycle duration are already apparent in two-cell stage embryos, when the larger anterior blastomere AB divides before the smaller posterior blastomere P1. This time difference is under the control of anterior-posterior (A-P) polarity cues set by the PAR proteins. The mechanism by which these cues regulate the cell cycle machinery differentially in AB and P1 are incompletely understood. Previous work established that retardation of P1 cell division is due in part to preferential activation of an ATL1/CHK-1 dependent checkpoint in P1 but how the remaining time difference is controlled was not known at the onset of my work. The principal line of work in this thesis established that differential timing relies also on a mechanism that promotes mitosis onset preferentially in AB. The polo-like kinase PLK-1, a positive regulator of mitotic entry, is distributed in an asymmetric manner in two-cell stage embryos, with more protein present in AB than in P1. We find that PLK-1 asymmetry is regulated by anterior-posterior (A-P) polarity cues through preferential protein retention in the embryo anterior. Importantly, mild inactivation of plk-1 by RNAi delays entry into mitosis in P1 but not in AB, in a manner that is independent of ATL-1/CHK-1. Together, these findings favor a model in which differential timing of mitotic entry in C. elegans embryos relies on two complementary mechanisms: ATL-1/CHK-1 dependent preferential retardation in P1 and PLK-1 dependent preferential promotion in AB, which together couple polarity cues and cell cycle progression during early development. Besides analyzing PLK-1 asymmetry and its role in differential timing of two-cells stage embryos, we also characterized t2190, a mutant that exhibits reduced differential timing between AB and P1. We found this mutant to be a new allele of par-1. Additionally, we analyzed the role of NMY-2 in regulating the asynchrony of two-cell stage embryos, which may be uncoupled from its role in A-P polarity establishment and carried out a preliminary analysis of the mechanism underlying CDC-25 asymmetry between AB and P,. Overall, our works bring new insights into the mechanism controlling cell cycle progression in early C. elegans embryos. As most of the players important in C. elegans are conserved in other organisms, analogous mechanisms may be utilized in polarized cells of other species. Résumé Au cours du développement, les processus de division cellulaire sont régulés dans l'espace et le temps afin d'aboutir à la formation d'un organisme fonctionnel. Chez les Métazoaires, l'un des mécanismes de contrôle s'effectue au niveau de la durée du cycle cellulaire, celle-ci étant specifiée selon la lignée cellulaire. L'embryon du nématode Caenorhabditis elegans apparaît comme un excellent modèle d'étude de la régulation temporelle du cycle cellulaire. En effet, suite à la première division du zygote, l'embryon est alors composé de deux cellules de taille et d'identité différentes, appelées blastomères AB et P1. Ces deux cellules vont ensuite se diviser de manière asynchrone, le grand blastomère antérieur AB se divisant plus rapidement que le petit blastomère postérieur P1. Cette asynchronie de division est sous le contrôle des protéines PAR qui sont impliquées dans l'établissement de l'axe antéro-postérieur de l'embryon. A ce jour, les mécanismes moléculaires gouvernant ce processus d'asynchronie ne sont que partiellement compris. Des études menées précédemment ont établit que le retard de division observé dans le petit blastomère postérieur P1 était dû, en partie, à l'activation préférentielle dans cette cellule de ATL-1/CHK-1, protéines contrôlant la réponse à des erreurs dans le processus de réplication de l'ADN. L'analyse des autres mécanismes responsables de la différence temporelle d'entrée en mitose des deux cellules a été entreprise au cours de cette thèse. Nous avons considéré la possibilité que l'asynchronie de division était du à l'entrée préférentielle en mitose du grand blastomère AB. Nous avons établi que la protéine kinase PLK-1 (polo-like kinase 1), impliquée dans la régulation positive de la mitose, était distribuée de manière asymétrique dans l'embryon deux cellules. PLK-1 est en effet enrichi dans le blastomère AB. Cette localisation asymétrique de PLK-1 est sous le contrôle des protéines PAR et semble établie via une rétention de PLK-1 dans la cellule AB. Par ailleurs, nous avons démontré que l'inactivation partielle de plk-7 par interférence à ARN (RNAi) conduit à un délai de l'entrée en mitose de la cellule P1 spécifiquement, indépendamment des protéines régulatrices ATL-1/CHK-1. En conclusion, nous proposons un modèle de régulation temporelle de l'entrée en mitose dans l'embryon deux cellules de C. elegans basé sur deux mécanismes complémentaires. Le premier implique l'activation préférentielle des protéines ATL-1/CHK-1, et conduit à un retard d'entrée en mitose spécifiquement dans la cellule P1. Le second est basé sur la localisation asymétrique de la protéine kinase PLK-1 dans la cellule AB et induit une entrée précoce en mitose de cette cellule. Par ailleurs, nous avons étudié un mutant appelé t2190 qui réduit la différence temporelle d'entrée en mitose entre les cellules AB et P1. Nous avons démontré que ce mutant correspondait à un nouvel allèle du Bene par-1. De plus, nous avons analysé le rôle de NMY-2, une protéine myosine qui agit comme moteur moléculaire sur les filaments d'active; dans la régulation de l'asynchronie de division des blastomères AB et P1, indépendamment de sa fonction dans l'établissement de l'axe antéro-postérieur. Par ailleurs, nous avons commencé l'étude du mécanisme moléculaire régulant la localisation asymétrique entre les cellules AB et P1 de la protéine phosphatase CDC25, qui est également un important régulateur de l'entrée en mitose. En conclusion, ce travail de thèse a permis une meilleure compréhension des mécanismes gouvernant la progression du cycle cellulaire dans l'embryon précoce de C. elegans. Etant donné que la plupart des protéines impliquées dans ces processus sont conservées chez d'autres organismes multicellulaires, il apparaît probable que les mécanismes moléculaires révélés dans cette étude soit aussi utilisés chez ceux-ci.

Context-dependent dual role of SKI8 homologs in mRNA synthesis and turnover.

Eukaryotic mRNA transcription and turnover is controlled by an enzymatic machinery that includes RNA polymerase II and the 3' to 5' exosome. The activity of these protein complexes is modulated by additional factors, such as the nuclear RNA polymerase II-associated factor 1 (Paf1c) and the cytoplasmic Superkiller (SKI) complex, respectively. Their components are conserved across uni- as well as multi-cellular organisms, including yeast, Arabidopsis, and humans. Among them, SKI8 displays multiple facets on top of its cytoplasmic role in the SKI complex. For instance, nuclear yeast ScSKI8 has an additional function in meiotic recombination, whereas nuclear human hSKI8 (unlike ScSKI8) associates with Paf1c. The Arabidopsis SKI8 homolog VERNALIZATION INDEPENDENT 3 (VIP3) has been found in Paf1c as well; however, whether it also has a role in the SKI complex remains obscure so far. We found that transgenic VIP3-GFP, which complements a novel vip3 mutant allele, localizes to both nucleus and cytoplasm. Consistently, biochemical analyses suggest that VIP3-GFP associates with the SKI complex. A role of VIP3 in the turnover of nuclear encoded mRNAs is supported by random-primed RNA sequencing of wild-type and vip3 seedlings, which indicates mRNA stabilization in vip3. Another SKI subunit homolog mutant, ski2, displays a dwarf phenotype similar to vip3. However, unlike vip3, it displays neither early flowering nor flower development phenotypes, suggesting that the latter reflect VIP3's role in Paf1c. Surprisingly then, transgenic ScSKI8 rescued all aspects of the vip3 phenotype, suggesting that the dual role of SKI8 depends on species-specific cellular context.

Phosphorylation by casein kinase 2 facilitates rRNA gene transcription by promoting dissociation of TIF-IA from elongating RNA polymerase I.

The protein kinase casein kinase 2 (CK2) phosphorylates different components of the RNA polymerase I (Pol I) transcription machinery and exerts a positive effect on rRNA gene (rDNA) transcription. Here we show that CK2 phosphorylates the transcription initiation factor TIF-IA at serines 170 and 172 (Ser170/172), and this phosphorylation triggers the release of TIF-IA from Pol I after transcription initiation. Inhibition of Ser170/172 phosphorylation or covalent tethering of TIF-IA to the RPA43 subunit of Pol I inhibits rDNA transcription, leading to perturbation of nucleolar structure and cell cycle arrest. Fluorescence recovery after photobleaching and chromatin immunoprecipitation experiments demonstrate that dissociation of TIF-IA from Pol I is a prerequisite for proper transcription elongation. In support of phosphorylation of TIF-IA switching from the initiation into the elongation phase, dephosphorylation of Ser170/172 by FCP1 facilitates the reassociation of TIF-IA with Pol I, allowing a new round of rDNA transcription. The results reveal a mechanism by which the functional interplay between CK2 and FCP1 sustains multiple rounds of Pol I transcription.

Intracellular trafficking of interleukin-1 receptor I requires Tollip.

Interleukin-1 receptor (IL-1RI) is a master regulator of inflammation and innate immunity. When triggered by IL-1beta, IL-1RI aggregates with IL-1R-associated protein (IL-1RAcP) and forms a membrane proximal signalosome that potently activates downstream signaling cascades. IL-1beta also rapidly triggers endocytosis of IL-1RI. Although internalization of IL-1RI significantly impacts signaling, very little is known about trafficking of IL-1RI and therefore about precisely how endocytosis modulates the overall cellular response to IL-1beta. Upon internalization, activated receptors are often sorted through endosomes and delivered to lysosomes for degradation. This is a highly regulated process that requires ubiquitination of cargo proteins as well as protein-sorting complexes that specifically recognize ubiquitinated cargo. Here, we show that IL-1beta induces ubiquitination of IL-1RI and that via these attached ubiquitin groups, IL-1RI interacts with the ubiquitin-binding protein Tollip. By using an assay to follow trafficking of IL-1RI from the cell surface to late endosomes and lysosomes, we demonstrate that Tollip is required for sorting of IL-1RI at late endosomes. In Tollip-deficient cells and cells expressing only mutated Tollip (incapable of binding IL-1RI and ubiquitin), IL-1RI accumulates on late endosomes and is not efficiently degraded. Furthermore, we show that IL-1RI interacts with Tom1, an ubiquitin-, clathrin-, and Tollip-binding protein, and that Tom1 knockdown also results in the accumulation of IL-1RI at late endosomes. Our findings suggest that Tollip functions as an endosomal adaptor linking IL-1RI, via Tom1, to the endosomal degradation machinery.

Amoebal pathogens as emerging causal agents of pneumonia.

Despite using modern microbiological diagnostic approaches, the aetiological agents of pneumonia remain unidentified in about 50% of cases. Some bacteria that grow poorly or not at all in axenic media used in routine clinical bacteriology laboratory but which can develop inside amoebae may be the agents of these lower respiratory tract infections (RTIs) of unexplained aetiology. Such amoebae-resisting bacteria, which coevolved with amoebae to resist their microbicidal machinery, may have developed virulence traits that help them survive within human macrophages, i.e. the first line of innate immune defence in the lung. We review here the current evidence for the emerging pathogenic role of various amoebae-resisting microorganisms as agents of RTIs in humans. Specifically, we discuss the emerging pathogenic roles of Legionella-like amoebal pathogens, novel Chlamydiae (Parachlamydia acanthamoebae, Simkania negevensis), waterborne mycobacteria and Bradyrhizobiaceae (Bosea and Afipia spp.).

Profiling of signal transduction in human memory T cells

Résumé pour un large public: La vaccination a eu un impact énorme sur la santé mondiale. Mais, quel est le principe d'un vaccin? Il est basé sur la 'mémoire immunologique', qui est une particularité exclusive des systèmes immunitaires des organismes évolués. Suite à une infection par un pathogène, des cellules spécialisées de notre système immunitaire (les lymphocytes) le reconnaissent et initient une réaction immunitaire qui a pour but son élimination. Pendant cette réaction se développent aussi des cellules, appelées cellules lymphocytaires mémoire, qui persistent pour longue durée et qui ont la capacité de stimuler une réaction immunitaire très efficace immédiatement après une seconde exposition à ce même pathogène. Ce sont ces cellules mémoires (lymphocytes B et T) qui sont à la base de la 'mémoire immunologique' et qui sont stimulées lors de la vaccination. Chez l'homme, deux populations distinctes des lymphocytes T mémoires ont été identifiées: les cellules centrales (CM) et effectrices (EM) mémoires. Ces populations sont fonctionnellement hétérogènes et exercent des rôles distincts et essentiels dans l'immunité protectrice. Typiquement, les cellules effectrices mémoires sont capables de tuer immédiatement le pathogène tandis que les cellules centrales mémoires sont responsables d'initier une réponse immunitaire complète. Pourtant, les mécanismes biochimiques qui contrôlent les fonctions de ces cellules ont été jusqu'à présent peu étudiés à cause de la faible fréquence de ces cellules et de la quantité limitée de tissus humains disponibles pour les analyses. La compréhension de ces mécanismes est cruciale pour la réalisation de vaccins efficaces et pour le développement de nouveaux médicaments capables de moduler la réponse immunitaire lymphocytaire. Dans cette thèse, nous avons d'abord développé et amélioré une technologie appelée 'protéine array en phase inverse' qui possède un niveau de sensibilité beaucoup plus élevé par rapport aux technologies classiquement utilisées dans l'étude des protéines. Grâce à cette technique, nous avons pu comparer la composition protéique du système de transmission des signaux d'activation des cellules CM et EM humaines. L'analyse de 8 à 13 sujets sains a montré que ces populations des cellules mémoires possèdent un système de signalisation protéique différent. En effet, les cellules EM possèdent, par rapport aux cellules CM, des niveaux réduits d'une protéine régulatrice (appelée c-Cbl) que nous avons démontré comme étant responsable des fonctions spécifiques de ces cellules. En effet, en augmentant artificiellement l'expression de cette protéine régulatrice dans les cellules EM jusqu'au niveau de celui des cellules CM, nous avons induit dans les cellules EM des capacités fonctionnelles caractéristiques des cellules CM. En conclusion, notre étude a identifié, pour la première fois chez l'homme, un mécanisme biochimique qui contrôle les fonctions des populations des cellules mémoires. Résumé en Français: Les cellules mémoires persistent inertes dans l'organisme et produisent des réactions immunitaires rapides et robustes contre les pathogènes précédemment rencontrés. Deux populations distinctes des cellules mémoires ont été identifiées chez l'homme: les cellules centrales (CM) et effectrices (EM) mémoires. Ces populations sont fonctionnellement hétérogènes et exercent des rôles distincts et critiques dans l'immunité protectrice. Les mécanismes biochimiques qui contrôlent leurs fonctions ont été jusqu'à présent peu étudiés, bien que leur compréhension soit cruciale pour le développement des vaccins et des nouveaux traitements/médicaments. Les limites majeures à ces études sont la faible fréquence de ces populations et la quantité limitée de tissus humains disponibles. Dans cette thèse nous avons d'abord développé et amélioré la technologie de 'protéine array en phase inverse' afin d'analyser les molécules de signalisation des cellules mémoires CD4 et CD8 humaines isolées ex vivo. L'excellente sensibilité, la reproductibilité et la linéarité de la détection, ont permis de quantifier des variations d'expression protéiques supérieures à 20% dans un lysat équivalent à 20 cellules. Ensuite, grâce à l'analyse de 8 à 13 sujets sains, nous avons prouvé que les cellules mémoires CD8 ont une composition homogène de leur système de signalisation tandis que les cellules CD4 EM expriment significativement de plus grandes quantités de SLP-76 et des niveaux réduits de c-Cbl, Syk, Fyn et LAT par rapport aux cellules CM. En outre, l'expression réduite du régulateur négatif c-Cbl est corrélée avec l'expression des SLP-76, PI3K et LAT uniquement dans les cellules EM. L'évaluation des propriétés fonctionnelles des cellules mémoires a permis de démontrer que l'expression réduite du c-Cbl dans les cellules EM est associé à une diminution de leur seuil d'activation. En effet, grâce a la technique de transduction cytosolique, nous avons augmenté la quantité de c-Cbl des cellules EM à un niveau comparable à celui des cellules CM et constaté une réduction de la capacité des cellules EM à proliférer et sécréter des cytokines. Ce mécanisme de régulation dépend principalement de l'activité d'ubiquitine ligase de c-Cbl comme démontré par l'impact réduit du mutant enzymatiquement déficient de c-Cbl sur les fonctions de cellules EM. En conclusion, cette thèse identifie c-Cbl comme un régulateur critique des réponses fonctionnelles des populations de cellules T mémoires et fournit, pour la première fois chez l'homme, un mécanisme contrôlant l'hétérogénéité fonctionnelle des ces cellules. De plus, elle valide l'utilisation combinée des 'RPP arrays' et de la transduction cytosolique comme outil puissant d'analyse quantitative et fonctionnel des protéines de signalisation. Summary : Memory cells persist in a quiescent state in the body and mediate rapid and vigorous immune responses toward pathogens previously encountered. Two subsets of memory cells, namely central (CM) and effector (EM) memory cells, have been identified in humans. These subsets display high functional heterogeneity and assert critical and distinct roles in the control of protective immunity. The biochemical mechanisms controlling their functional properties remain so far poorly investigated, although their clarification is crucial for design of effective T-cell vaccine and drug development. Major limitations to these studies lie in the low frequency of memory T cell subsets and the limited amount of human specimen available. In this thesis we first implemented the innovative reverse phase protein array approach to profile 15 signalling components in human CD8 and CD4 memory T cells isolated ex vivo. The high degree of sensitivity, reproducibility and linearity achieved, allowed an excellent quantification of variations in protein expression higher than 20% in as few as 20-cell equivalent per spot. Based on the analysis of 8 to 13 healthy subjects, we showed that CD8 memory cells have a homogeneous composition of their signaling machinery while CD4 EM cells express statistically significant increased amounts of SLP-76 and reduced levels of c- Cbl, Syk, Fyn and LAT as compared to CM cells. Moreover, in EM but not CM cells, reduced expression of negative regulator c-Cbl correlated with the expression of SLP-76, PI3K and LAT. Subsequently, we demonstrated that the higher functional properties and the lower functional threshold of EM cells is associated with reduced expression of c-Cbl. Indeed, by increasing c-Cbl content of EM cells to the same level of CM cells using cytosolic transduction, we impaired their proliferation and cytokine production. This regulatory mechanism was primarily dependent on c-Cbl E3 ubiquitin ligase activity as evidenced by the weaker impact of enzymatically deficient c-Cbl C381A mutant on EM cell functions. Together, these results identify c-Cbl as a critical regulator of the functional responses of memory T cell subsets and provides, for the first time in humans, a mechanism controlling the functional heterogeneity of memory CD4 cells. Moreover it validates the combined use of RPP arrays and cytosolic transduction approaches as a powerful tool to quantitatively analyze signalling proteins and functionally assess their roles.

Vacuolar SNARE Protein Transmembrane Domains Serve as Nonspecific Membrane Anchors with Unequal Roles in Lipid Mixing.

Membrane fusion is induced by SNARE complexes that are anchored in both fusion partners. SNAREs zipper up from the N to C terminus bringing the two membranes into close apposition. Their transmembrane domains (TMDs) might be mere anchoring devices, deforming bilayers by mechanical force. Structural studies suggested that TMDs might also perturb lipid structure by undergoing conformational transitions or by zipping up into the bilayer. Here, we tested this latter hypothesis, which predicts that the activity of SNAREs should depend on the primary sequence of their TMDs. We replaced the TMDs of all vacuolar SNAREs (Nyv1, Vam3, and Vti1) by a lipid anchor, by a TMD from a protein unrelated to the membrane fusion machinery, or by artificial leucine-valine sequences. Individual exchange of the native SNARE TMDs against an unrelated transmembrane anchor or an artificial leucine-valine sequence yielded normal fusion activities. Fusion activity was also preserved upon pairwise exchange of the TMDs against unrelated peptides, which eliminates the possibility for specific TMD-TMD interactions. Thus, a specific primary sequence or zippering beyond the SNARE domains is not a prerequisite for fusion. Lipid-anchored Vti1 was fully active, and lipid-anchored Nyv1 permitted the reaction to proceed up to hemifusion, and lipid-anchored Vam3 interfered already before hemifusion. The unequal contribution of proteinaceous TMDs on Vam3 and Nyv1 suggests that Q- and R-SNAREs might make different contributions to the hemifusion intermediate and the opening of the fusion pore. Furthermore, our data support the view that SNARE TMDs serve as nonspecific membrane anchors in vacuole fusion.

Combined loss of the BH3-only proteins Bim and Bmf restores B-cell development and function in TACI-Ig transgenic mice.

Terminal differentiation of B cells depends on two interconnected survival pathways, elicited by the B-cell receptor (BCR) and the BAFF receptor (BAFF-R), respectively. Loss of either signaling pathway arrests B-cell development. Although BCR-dependent survival depends mainly on the activation of the v-AKT murine thymoma viral oncogene homolog 1 (AKT)/PI3-kinase network, BAFF/BAFF-R-mediated survival engages non-canonical NF-κB signaling as well as MAPK/extracellular-signal regulated kinase and AKT/PI3-kinase modules to allow proper B-cell development. Plasma cell survival, however, is independent of BAFF-R and regulated by APRIL that signals NF-κB activation via alternative receptors, that is, transmembrane activator and CAML interactor (TACI) or B-cell maturation (BCMA). All these complex signaling events are believed to secure survival by increased expression of anti-apoptotic B-cell lymphoma 2 (Bcl2) family proteins in developing and mature B cells. Curiously, how lack of BAFF- or APRIL-mediated signaling triggers B-cell apoptosis remains largely unexplored. Here, we show that two pro-apoptotic members of the 'Bcl2 homology domain 3-only' subgroup of the Bcl2 family, Bcl2 interacting mediator of cell death (Bim) and Bcl2 modifying factor (Bmf), mediate apoptosis in the context of TACI-Ig overexpression that effectively neutralizes BAFF as well as APRIL. Surprisingly, although Bcl2 overexpression triggers B-cell hyperplasia exceeding the one observed in Bim(-/-)Bmf(-/-) mice, Bcl2 transgenic B cells remain susceptible to the effects of TACI-Ig expression in vivo, leading to ameliorated pathology in Vav-Bcl2 transgenic mice. Together, our findings shed new light on the molecular machinery restricting B-cell survival during development, normal homeostasis and under pathological conditions. Our data further suggest that Bcl2 antagonists might improve the potency of BAFF/APRIL-depletion strategies in B-cell-driven pathologies.

Synergism between a foldase and an unfoldase: reciprocal dependence between the thioredoxin-like activity of DnaJ and the polypeptide-unfolding activity of DnaK.

The role of bacterial Hsp40, DnaJ, is to co-chaperone the binding of misfolded or alternatively folded proteins to bacterial Hsp70, DnaK, which is an ATP-fuelled unfolding chaperone. In addition to its DnaK targeting activity, DnaJ has a weak thiol-reductase activity. In between the substrate-binding domain and the J-domain anchor to DnaK, DnaJ has a unique domain with four conserved CXXC motives that bind two Zn(2+) and partly contribute to polypeptide binding. Here, we deleted in DnaJ this Zn-binding domain, which is characteristic to type I but not of type II or III J-proteins. This caused a loss of the thiol-reductase activity and strongly reduced the ability of DnaJ to mediate the ATP- and DnaK-dependent unfolding/refolding of mildly oxidized misfolded polypeptides, an inhibition that was alleviated in the presence of thioredoxin or DTT. We suggest that in addition to their general ability to target misfolded polypeptide substrates to the Hsp70/Hsp110 chaperone machinery, Type I J-proteins carry an ancillary protein dithiol-isomerase function that can synergize the unfolding action of the chaperone, in the particular case of substrates that are further stabilized by non-native disulfide bonds. Whereas the unfoldase can remain ineffective without the transient untying of disulfide bonds by the foldase, the foldase can remain ineffective without the transient ATP-fuelled unfolding of wrong local structures by the unfoldase.

The role of MAR elements in DNA recombination

The untargeted integration of foreign DNA into the mammalian cell genome, extensively used in gene therapy and biotechnology, remains an incompletely understood process. It is believed to be based on cellular DNA double strand break (DSB) repair machinery and to involve two major steps: i) the formation of long gene arrays (concatemers), and ii) recombination of the resulting concatemer with the genome. The main DSB repair pathways in eukaryotes include non-homologous end-joining (NHEJ), homologous recombination (HR), and microhomology-mediated end-joining (MMEJ). However, it is still not clear, which of these pathways are responsible for transgene integration. Here, we show that NHEJ is not the primary pathway used by mammalian cells in the transgene integration process, while the components of the HR pathway seem to be important for genomic integration but not concatemerization. Instead, concatemer formation appears to be mediated by a subset of the MMEJ pathway, termed synthesis-dependent MMEJ (SD-MMEJ). This mechanism also seems to be preferentially used for plasmid integration into the genome, as confirmed by the analysis of plasmid-to-genome junction sequences, which were found to display an SD-MMEJ pattern. Therefore, we propose the existence of two distinct SD-MMEJ subpathways, relying on different subsets of enzymes. One of these mechanisms appears to be responsible for concatemerization, while the other mechanism, partially dependent in HR enzymes, seems to mediate recombination with the genome. Previous studies performed by our group suggested that matrix attachment regions (MARs), which are epigenetic regulatory DNA elements that participate in the formation of chromatin boundaries and augment transcription, may mediate increased plasmid integration into the genome of CHO cells by stimulating DNA recombination. In the present work, we demonstrate that MAR-mediated plasmid integration results from the enhanced SD-MMEJ pathway. Analysis of transgene integration loci and junction DNA sequences validated the prevalent use of this pathway by the MAR elements to target plasmid DNA into gene-rich areas of the CHO genome. We propose that this finding should in the future help to engineer cells for improved recombinant protein production. In addition to investigating the process of transgene integration, we designed recombination assays to better characterize the components of the MMEJ and SD-MMEJ pathways. We also used CHO cells expressing cycle-sensitive reporter genes to demonstrate a potential role of HR proteins in the cell cycle regulation.

Expression of the inducible NO synthase in human monocytic U937 cells allows high output nitric oxide production.

Nitric oxide (NO) produced by inducible NO synthase (iNOS, NOS-2) is an important component of the macrophage-mediated immune defense toward numerous pathogens. Murine macrophages produce NO after cytokine activation, whereas, under similar conditions, human macrophages produce low levels or no NO at all. Although human macrophages can express iNOS mRNA and protein on activation, whether they possess the complete machinery necessary for NO synthesis remains controversial. To define the conditions necessary for human monocytes/macrophages to synthesize NO when expressing a functional iNOS, the human monocytic U937 cell line was engineered to synthesize this enzyme, following infection with a retroviral expression vector containing human hepatic iNOS (DFGiNOS). Northern blot and Western blot analysis confirmed the expression of iNOS in transfected U937 cells both at the RNA and protein levels. NOS enzymatic activity was demonstrated in cell lysates by the conversion of L-[3H]arginine into L-[3H]citrulline and the production of NO by intact cells was measured by nitrite and nitrate accumulation in culture supernatants. When expressing functional iNOS, U937 cells were capable of releasing high levels of NO. NO production was strictly dependent on supplementation of the culture medium with tetrahydrobiopterin (BH4) and was not modified by stimulation of the cells with different cytokines. These observations suggest that (1) human monocytic U937 cells contain all the cofactors necessary for NO synthesis, except BH4 and (2) the failure to detect NO in cytokine-stimulated untransfected U937 cells is not due to the presence of a NO-scavenging molecule within these cells nor to the destabilization of iNOS protein. DFGiNOS U937 cells represent a valuable human model to study the role of NO in immunity toward tumors and pathogens.

A role for homologous recombination proteins in cell cycle regulation.

Eukaryotic cells respond to DNA breaks, especially double-stranded breaks (DSBs), by activating the DNA damage response (DDR), which encompasses DNA repair and cell cycle checkpoint signaling. The DNA damage signal is transmitted to the checkpoint machinery by a network of specialized DNA damage-recognizing and signal-transducing molecules. However, recent evidence suggests that DNA repair proteins themselves may also directly contribute to the checkpoint control. Here, we investigated the role of homologous recombination (HR) proteins in normal cell cycle regulation in the absence of exogenous DNA damage. For this purpose, we used Chinese Hamster Ovary (CHO) cells expressing the Fluorescent ubiquitination-based cell cycle indicators (Fucci). Systematic siRNA-mediated knockdown of HR genes in these cells demonstrated that the lack of several of these factors alters cell cycle distribution, albeit differentially. The knock-down of MDC1, Rad51 and Brca1 caused the cells to arrest in the G2 phase, suggesting that they may be required for the G2/M transition. In contrast, inhibition of the other HR factors, including several Rad51 paralogs and Rad50, led to the arrest in the G1/G0 phase. Moreover, reduced expression of Rad51B, Rad51C, CtIP and Rad50 induced entry into a quiescent G0-like phase. In conclusion, the lack of many HR factors may lead to cell cycle checkpoint activation, even in the absence of exogenous DNA damage, indicating that these proteins may play an essential role both in DNA repair and checkpoint signaling.

Characterization of a MAF1 knockout mouse model

L'ARN polymérase 3 transcrit un petit groupe de gènes fortement exprimés et impliqués dans plusieurs mécanismes moléculaires. Les ARNs de transfert ou ARNt représentent plus ou moins la moitié du transcriptome de l'ARN polymérase 3. Ils sont directement impliqués dans la traduction des protéines en agissant comme transporteurs d'acides aminés qui sont incorporés à la chaîne naissante de polypeptides. Chez des levures cultivées dans un milieu jusqu'à épuisement des nutriments, Maf1 réprime la transcription par l'ARN polymérase 3, favorisant ainsi l'économie énergétique cellulaire. Dans un modèle de cellules de mammifères, MAF1 réprime aussi la transcription de l'ARN polymérase 3 dans des conditions de stress, cependant il n'existe aucune donnée quant à son rôle chez un mammifère vivant. Pendant mon doctorat, j'ai utilisé une souris délétée pour le gène Maf1 afin de connaître les effets de ce gène chez un mammifère. Etonnamment, la souris Maf1-­‐/-­‐ est résistante à l'obésité même si celle-­‐ci est nourrie avec une nourriture riche en matières grasses. Des études moléculaires et de métabolomiques ont montré qu'il existe des cycles futiles de production et dégradation des lipides et des ARNt, ce qui entraîne une augmentation de la dépense énergique et favorise la résistance à l'obésité. En plus de la caractérisation de la souris Maf1-­‐/-­‐, pendant ma thèse j'ai également développé une méthode afin de normaliser les données de ChIP-­‐sequencing. Cette méthode est fondée sur l'utilisation d'un contrôle interne, représenté ici par l'ajout d'une quantité fixe de chromatine provenant d'un organisme différent de celui étudié. La méthode a amélioré considérablement la reproductibilité des valeurs entre réplicas biologiques. Elle a aussi révélé des différences entre échantillons issus de conditions différentes. Une occupation supérieure de l'ARN polymérase 3 sur les gènes Pol 3 chez les souris Maf1 KO entraîne une augmentation du niveau de précurseurs d'ARNt, ayant pour effet probable la saturation de la machinerie de maturation des ARNt. En effet, chez les souris Maf1 KO, le pourcentage d'ARNt modifiés est plus faible que chez les souris type sauvage. Ce déséquilibre entre le niveau de précurseurs et d'ARNt matures entraîne une diminution de la traduction protéique. Ces résultats ont permis d'identifier de nouvelles fonctions pour la protéine MAF1, comme étant une protéine régulatrice à la fois de la transcription mais aussi de la traduction et en étant un cible potentielle au traitement à l'obésité. -- RNA polymerase III (Pol 3) transcribes a small set of highly expressed genes involved in different molecular mechanisms. tRNAs account for almost half of the Pol 3 transcriptome and are involved in translation, bringing a new amino into the nascent polypeptide chain. In yeast, under nutrient deprivation, Maf1 acts for cell energetic economy by repressing Pol 3 transcription. In mammalian cells, MAF1 also represses Pol 3 activity under conditions of serum deprivation or DNA damages but nothing is known about its role in a mammalian organism. During my thesis studies, I used a Maf1 KO mouse model to characterize the effects of Maf1 deletion in a living animal. Surprisingly, the MAF1 KO mouse developed an unexpected phenotype, being resistant to high fat diet-­‐induced obesity and displaying an extended lifespan. Molecular and metabolomics characterizations revealed futile cycles of lipids and tRNAs, which are produced and immediately degraded, which increases energy consumption in the Maf1 KO mouse and probably explains in part the protection to obesity. Additionally to the mouse characterization, I also developed a method to normalize ChIP-­‐seq data, based on the addition of a foreign chromatin to be used as an internal control. The method improved reproducibility between replicates and revealed differences of Pol 3 occupancy between WT and Maf1 KO samples that were not seen without normalization to the internal control. I then established that increased Pol 3 occupancy in the Maf1 KO mouse liver was associated with increased levels of tRNA precursor but not of mature tRNAs, the effective molecules involved in translation. The overproduction of precursor tRNAs associated with the deletion of Maf1 apparently overwhelms the tRNA processing machinery as the Maf1 KO mice have lower levels of fully modified tRNAs. This maturation defect directly impacts on translation efficiency as polysomic fractions and newly synthetized protein levels were reduced in the liver of the Maf1 KO mouse. Altogether, these results indicate new functions for MAF1, a regulator of both transcription and translation as well as a potential target for obesity treatment.