Sex and clock to discover new PPARα functions

Summary : PPARα is a ligand-activated transcription factor that is a member of the nuclear receptor superfamily. In rodents, PPARα is highly expressed in liver, especially in parenchymal cells, where it has an impact on several hepatic functions such as nutrient metabolism, inflammation and metabolic stress. Ligands for PPARα comprise long chain unsaturated fatty acids, eicosanoids and lipid lowering fibrate drugs. In liver, many metabolic processes are orchestrated by the hepatic circadian clock. The aim of the hepatic clock is to synchronize cellular pathways allowing animals to adapt their metabolism to predictable daily changes in the environment. Indeed, similar to PPARα, the hepatic clock influences nutrient metabolism and detoxification through circadian output regulators :the PAR-domain basic leucine zipper proteins called PAR blip proteins. In this report, we showed that through a positive feedback loop mechanism, PAR. blip, proteins participate to the availability of PPARα endogenous ligands that contribute to the circadian expression and functions of PPARα. Interestingly, we also discovered some unexpected hepatic sexual dimorphic functions of PPARα. These functions are determined b PPARα sumoylation, interaction with DNA methylation mechanism and with unexpected proteins with gender specificity. The connection between circadian clock and hepatic sexual dimorphism opens new perspectives regarding the chronobiology of PPARα activity and the beneficial effects of PPARα agonist in the treatment of diseases related to steroid hormones metabolism characterized by inflammation and hepatotoxicity. Résumé : PPARα est un facteur de transcription activé par un ligand, membre de la superfamille des récepteurs nucléaires. Chez les rongeurs, PPARα est fortement exprimé dans le foie, spécialement dans les cellules du parenchyme dans lesquelles il joue un role important dans les fonctions hépatiques tels que le métabolisme des nutriments, l'inflammation et les stress métaboliques. Les ligands pour PPARα comprennent les acides gras à longues chaînes, les eicosanoides et les médicaments hypolipidémiques (fibrates). Dans le foie, beaucoup de processus métaboliques sont orchestrés par l'horloge circadienne hépatique. Le but de cette horloge est de synchroniser les voies métaboliqués permettant aux animaux d'adapter leurs métabolismes aux changements journaliers. Ainsi, l'horloge hépatique influence le métabolisme des nutriments tels que l'utilisation des lipides à travers certains régulateurs circadians appelés facteurs de transcription PAR bZips. Dans ce mémoire, nous avons montré qu'à travers une boucle de régulation, les protéines PAR bZip contrôlent la production des ligands endogènes à PPARα, jouant un rôle dans l'expression circadienne et les fonctions de PPARα. Nous avons également découvert des aspects méconnus des fonctions liées au dimorphisme sexuel de PPARα. Nous avons montré que PPARα est différemment sumoylisé entre les sexes et interagit avec la méthylation de l'ADN ainsi qu'avec des protéines insoupçonnées comme partenaires de PPARα. De part leur lien avec l'horloge circadienne et le dimorphisme sexuel, nos découvertes ouvrent de nouvelles perspectives concernant la chronobiologie de l'activité de PPARα et les effets bénéfiques des ses activateurs dans le traitement des maladies liées au métabolisme des hormones stéroides.

The role of Bmi1 in CNS development and in retinal degeneration

SUMMARY : The present work addresses several aspects of cell cycle regulation, cell fate specification and cell death in the central nervous system (CNS), specifically the cortex and the retina. More precisely, we investigated the role of Bmi1, a polycomb family gene required for stem cell proliferation and self-renewal, in the development of the cerebral cortex, as well as in the genesis of the retina. These data, together with studies published during the last two decades concerning cell cycle re-activation in apoptotic neurons in the CNS, raised the question of a possible link between regulation of the cell cycle during development and during retinal degeneration. 1. The effects of Bmi1 loss in the cerebral cortex : Consistently with our and others' observations on failure of Bmi9-/- stem cells to proliferate and self-renew in vitro, the Bmi9-/- cerebral cortex presented slight defects in proliferation in stem/progenitor cells compartments in vivo. This was in accordance with the pattern of Bmi1 expression in the developing forebrain. The modest proliferation defects, compared to the drastic consequences of Bmi9 loss in vitro, suggest that cell-extrinsic mechanisms may partially compensate for Bmi1 deletion in vivo during cortical histogenesis. Nevertheless, we observed a decreased proliferating activity in neurogenic regions of the adult telencephalon, more precisely in the subventricular zone, showing that Bmi1 controls neural stem/progenitor proliferation during adulthood in vivo. Our data also highlight an increased production of astrocytes at birth, and a generalized gliosis in the adult Bmi9-/- brain. Importantly, glial progenitors and astrocytes retained the ability to proliferate in the absence of Bmi1. 2. The effects of Bmi1 loss in the retina : The pattern of expression of Bmi1 during development and in the adult retina suggests a role for Bmi1 in cell fate specification and differentiation rather than in proliferation. While the layering and the global structure of the retina appear normal in Bmi1 /adult mice, immunohistochemìcal analysis revealed defects in the three major classes of retinal interneurons, namely: horizontal, bipolar and amacrine cells. Electroretinogram recordings in Bmi9-/- mice are coherent with the defects observed at the histological level, with a reduced b-wave and low-profile oscillatory potentials. These results show that Bmi1 controls not only proliferation, but also cell type generation, as previously observed in the cerebellum. 3. Cell cycle events and related neuroprotective strategies in retinal degeneration : In several neurodegenerative disorders, neurons re-express cell cycle proteins such as cyclin dependent kinases (Cdks) prior to apoptosis. Here, we show for the first time that this is also the case during retinal degeneration. Rd1 mice carry a recessive defect (Pdeóbrd/rd) that causes retinal degeneration and serves as a model of retinitis pigmentosa. We found that photoreceptors express Cdk4 and Cdk2, and undergo DNA synthesis prior to cell death. To interfere with the reactivation of Cdk-related pathways, we deleted E2fs or Brni1, which normally allow cell cycle progression. While deleting E2f1 (downstream of Cdk4/6) in Rd1 mice provides only temporary protection, knocking out Bmi1 (upstream of Cdks) leads to an extensive neuroprotective effect, independent of p16ink4a or p19arf, two tumor suppressors regulated by Bmi1. Analysis of Cdks and the DNA repair-related protein Ligase IV showed that Bmi1 acts downstream of DNA repair events and upstream of Cdks in this neurodegenerative mechanism. Expression of Cdks during an acute model of retinal degeneration, light damage-induced photoreceptor death, points to a role for Bmi1 and cell cycle proteins in retinal degeneration. Considering the similarity with the cell cycle-related apoptotic pathway observed in other neurodegenerative diseases, Bmi1 is a possible general target to prevent or delay neuronal death. RESUME : Ce travail aborde plusieurs aspects de la régulation du cycle cellulaire, de la spécification du devenir des cellules et de la mort cellulaire dans le système nerveux centrale (SNC), plus particulièrement dans le cortex cérébral et dans la rétine. Nous nous sommes intéressés au gène Bmi1, appartenant à la famille polycomb et nécessaire à la prolifération et au renouvellement des cellules souches. Nous avons visé à disséquer son rôle dans le développement du cortex et de la rétine. Ces données, ainsi qu'une série de travaux publiés au cours des deux dernières décennies concernant la réactivation du cycle cellulaire dans les neurones en voie d'apoptose dans le SNC, nous ont ensuite poussé à chercher un lien entre la régulation du cycle cellulaire pendant le développement et au cours de la dégénérescence rétinienne. 1. Les effets de l'inactivation de Bmi1 dans le cortex cérébral : En accord avec l'incapacité des cellules souches neurales in vitro à proliférer et à se renouveler en absence de Bmi1, le cortex cérébral des souris Bmi1-/- présente de légers défauts de prolifération dans les compartiments contenant les cellules souches neurales. Ceci est en accord avec le profil d'expression de Bmi1 dans le télencéphale. Les conséquences de la délétion de Bmi1 sont toutefois nettement moins prononcées in vivo qu'in vitro ; cette différence suggère l'existence de mécanismes pouvant partiellement compenser l'absence de Bmi1 pendant la corticogenèse. Néanmoins, l'observation d'une réduction de la prolifération dans la zone sous-ventriculaire, la zone majeure de neurogenèse dans le télencéphale adulte, montre que Bmi1 contrôle la prolifération des cellules souche/progénitrices neurales chez la souris adulte. Nos résultats démontrent par ailleurs une augmentation de la production d'astrocytes à la naissance ainsi qu'une gliose généralisée à l'état adulte chez les souris Bmi1-/-. Les progéniteurs gliaux et les astrocytes conservent donc leur capacité à proliférer en absence de Bmi1. 2. Les effets de l'inactivation de Bmi1 dans la rétine : Le profil d'expression de Bmi1 pendant fe développement ainsi que dans la rétine adulte suggère un rôle de Bmi1 dans la spécification de certains types cellulaires et dans la différentiation plutôt que dans la prolifération. Alors que la structure et la lamination de la rétine semblent normales chez les souris Bmi1-/-, l'analyse par immunohistochimie amis en évidence des défauts au niveau des trois classes d'interneurones rétiniens (les cellules horizontales, bipolaires et amacrines). Les électrorétinogrammes des souris Bmi1-/- sont cohérents avec les défauts observés au niveau histologique et montrent une réduction de l'onde « b » et des potentiels oscillatoires. Ces résultats montrent que Bmi1 contrôle la génération de certaines sous-populations de neurones, comme démontré auparavant au niveau de cervelet. 3. Réactivation du cycle cellulaire et stratégies théraoeutiaues dans les dégénérescences rétiniennes : Dans plusieurs maladies neurodégénératives, les neurones ré-expriment des protéines du cycle cellulaire telles que les kinases cycline-dépendantes (Cdk) avant d'entrer en apoptose. Nous avons démontré que c'est aussi le cas dans les dégénérescences rétiniennes. Les souris Rd1 portent une mutation récessive (Pde6brd/rd) qui induit une dégénérescence de la rétine et sont utilisées comme modèle animal de rétinite pigmentaire. Nous avons observé que les photorécepteurs expriment Cdk4 et Cdk2, et entament une synthèse d'ADN avant de mourir par apoptose. Pour interférer avec la réactivation les mécanismes Cdk-dépendants, nous avons inactivé les gènes E2f et Bmi1, qui permettent normalement la progression du cycle cellulaire. Nous avons mis en évidence que la délétion de E2f1 (en aval de Cdk4/6) dans les souris Rd1 permet une protection transitoire des photorécepteurs. Toutefois, l'inactivation de Bmi1 (en amont des Cdk) est corrélée à une neuroprotection bien plus durable et ceci indépendamment de p16ink4a et p19arf, deux suppresseurs de tumeurs normalement régulés par Bmi1. L'analyse des Cdk et de la ligase IV (une protéine impliquée dans les mécanismes de réparation de l'ADN) a montré que Bmi1 agit en aval des événements de réparation de l'ADN et en amont des Cdk dans la cascade apoptotique dans les photorécepteurs des souris Rd1. Nous avons également observé la présence de Cdk dans un modèle aigu de dégénérescence rétinienne induit par une exposition des animaux à des niveaux toxiques de lumière. Nos résultats suggèrent donc un rôle général de Bmi1 et des protéines du cycle cellulaire dans les dégénérescences de la rétine. Si l'on considère la similarité avec les événements de réactivation du cycle cellulaire observés dans d'autres maladies neurodégénératives, Bmi1 pourrait être une cible thérapeutique générale pour prévenir la mort neuronale.

Role of beta-1 integrin in tumor growth and dissemination

SUMMARY Cancer is one of the leading causes of disease-related mortality. In most cases, death is due to the spread of cells from the primary tumor to distant sites causing formation of metastases. To become tumorigenic, cells should acquire ability, including self-sufficiency in growth signals, insensitivity to anti-growth signals, resistance to apoptosis, sustained angiogenesis, limitless replicative potential and tissue invasion and metastasis. Tumor progression depends, in part on the relationship between tumor cells and host tissue stroma, characterized by changes of tumor cell adhesion to their microenvironment and activation of a variety of extracellular proteases that play a role in ECM degradation. integrins are adhesion proteins implicated in tumorigenesis. Their main function is to mediate cell adhesion to the ECM or to other cells and to create a link between the ECM and the cytoskeleton. Tumor cells like normal cells use integrins to attach to ECM, migrate into surrounding tissues and derive survival and growth signals. Integrin-dependent adhesion and migration are thought to play an important role in tumor dissemination. A strategy was designed to address the role of β1 integrin tumor growth and dissemination. Murine mammary carcinoma (TA3) cells were stably transfected with a soluble β1 integrin construct, which is anticipated to play a dominant negative role, being able to associate with different α-subunits expressed on the cell surface but unable to transduce signals to the nucleus. Results from studies based on soluble β1 integrin TA3 transfectants showed that 1) the integrin expression pattern at the cell surface changed with an induction of α2β1 and α5β1 heterodimers; 2) adhesion to collagens, especially collagen I was increased; 3) tumor dissemination after intrape-ritoneal injection in syngeneic mice was abolished and 4) local growth after orthotopic injection was maintained but delayed. Taken together, the data presented here suggest that β1 integrin plays a potentially important role in the regulation of tumor behavior. RESUME Le cancer est une des principales causes de mortalité suite à une maladie. Dans la plupart des cas, la mort est la conséquence de la dissémination de cellules, provenant de la tumeur primaire, dans des endroits distants et causant la formation de métastases. Afin de devenir cancéreuse, une cellule doit acquérir certaines capacités, telles qu'une auto-suffisance en facteurs de croissance, une insensibilité aux facteurs empêchant la croissance cellulaire, une résistance à l'apoptose, une angiogénèse soutenue, un potentiel de réplication illimité et une capacité à pénétrer dans les tissus et à former des colonies métastatiques. La progression d'une tumeur dépend, en partie, de la relation entre les cellules tumorales et les cellules tissulaires de l'hôte. Cette relation est caractérisée par des modifications des cellules tumorales quant à leur adhésion au microenvironnement et à l'activation de protéases qui permettent de dégrader la matrice extracellulaire. Les intégrines sont des protéines impliquées dans le développement tumoral. Leur fonction principale est de réguler l'adhésion des cellules à la matrice extracellulaire, ou à d'autres cellules, et de créer un lien entre cette matrice extracellulaire et le cytosquelette. Les cellules tumorales utilisent également les intégrines pour se lier à la matrice extracellulaire, pour migrer dans les tissus adjacents et pour induire des signaux de croissance et de survie. Ces événements d'adhésion et de migration, qui dépendent des intégrines, jouent un rôle primordial dans la dissémination des cellules cancéreuses. Une stratégie a été élaborée afin de définir le rôle de l'intégrine β1 durant la croissance et la dissémination des cellules tumorales. Des cellules provenant d'un carcinome de la glande mammaire (TA3) ont été transfectées de manière stable avec un vecteur contenant la séquence codante de la partie extracellulaire de l'intégrine β1. L'intégrine tronquée doit être capable de se lier aux sous-unités α exprimées à la surface de la cellule, mais doit être incapable de transmettre un signal à l'intérieur de la cellule. Les résultats obtenus avec les cellules TA3 transfectées contenant l'intégrine β1 soluble montrent que I) le répertoire d'expression des intégrines à la surface de la cellule a changé en faveur des hétérodimères α2β1 et α5β1; 2) l'adhésion aux collagènes, particulièrement au collagène de type I a augmenté; 3) la dissémination des cellules tumorales après une injection intrapéritonéale est empêchée; 4) la croissance tumorale après une injection orthotopique est conservée mais retardée. Ces résultats montrent que l'intégrine β1 joue un rôle primordial dans la régulation du comportement tumoral.

Pharmacokinetic and pharmacogenetic factors influencing plasma and cellular antiretroviral drug disposition

Abstract: The improvement in antiretroviral drug therapy has transformed HIV infection into a chronic disease. However, treatment failure and drug toxicity are frequent. Inadequate response to treatment is clearly multifactorial and, therefore, dosage individualisation based on demographic factors, genetic markers and measurement of cellular and plasma drug level may enhance both drug efficacy and tolerability. At present, antiretroviral drugs levels are monitored in plasma, whereas only drugs penetrating into cells are able to exert an antiviral activity, suggesting that cellular drug determination may more confidently reflect drug exposure at the site of pharmacological action. The overall objective of this thesis is to provide a better understanding of the Pharmacokinetic and pharmacogenetic factors influencing the plasma and cellular disposition of antiretroviral drugs. To that endeavour, analytical methods for the measurements of plasma and cellular drug levels have been developed and validated using liquid chromatography methods coupled with ultraviolet and tandem mass spectrometry detection, respectively. Correlations between plasma and cellular exposures were assessed during observational and experimental studies. Cytochrome (CYP) 2B6, efflux transporters (ABCB1, ABCC1, ABCC2 and ABCG2) and orosomucoid (ORM) polymorphisms were determined and were related to plasma and cellular exposures, as well as toxicity of antiretroviral drugs. A Pharmacokinetic population model was developed to characterise inter- and intra-patient variability of atazanavir pharmacokinetics, and to identify covariates influencing drug disposition. In that context, a Pharmacokinetic interaction study between atazanavir and lopinavir, both boosted with ritonavir, has beén conducted to assess the safety and pharmacokinetics of this boosted double-protease inhibitors regimen. Well to moderately-correlated cellular and plasma drug levels are .observed or protease inhibitors, whereas for efavirenz and nevirapine these correlations are weak. Cellular exposure, and CYP2B6 genotype (516G>T) are predictors of efavirenz neuropsychological toxicity. Nevirapine plasma exposure is also influenced by CYPZB6 polymorphism. Nelfinavir cellular exposure appears to be significantly associated only with ABCB1 genotype (3435C>T and intron 26 + 80T>C). Indinavir and lopinavir clearance and lopinavir cellular/plasma exposure ratio are influenced by the concentration of the variant S of ORM, suggesting-a specific binding of these drugs to this variant. Nelfinavir and efavirenz are not influenced by ORM concentration and phenotype. The Pharmacokinetic parameters of atazanavir are adequately described by our population model. The atazanavir-lopinavir interaction study indicates no influence on plasma and cellular atazanavir pharmacokinetics, while limited decrease in lopinavir concentrations was observed after atazanavir addition. The residual variability unexplained by the considered variables suggests that other covariates either uncontrolled at present or remaining to be identified, such as genetic and environmental factors influence antiretroviral drug pharmacokinetics, with substantial impact on treatment efficacy and tolerability. In that context, a comprehensive approach taking into account drug pharmacokinetics and patient genetic background is expected to contribute to increase treatment success, and to reduce the occurrence of adverse drug reactions by stratifying patients in an individualised antiretroviral therapy approach. Résumé Facteurs pharmacocinétiques et pharmacogénétiques influençant l'exposition plasmatique et cellulaire des antirétroviraux Les progrès de la thérapie antirétrovirale ont transformé l'infection par le VIH d'une affection mortelle à une maladie chronique. En dépit de ce succès, l'échec thérapeutique et la toxicité médicamenteuse restent fréquents. Une réponse inadéquate au traitement est clairement multifactorielle et une individualisation de la posologie des médicaments qui se baserait sur les facteurs démographiques et génétiques des patients et sur les taux sanguins des médicaments pourrait améliorer à la fois l'efficacité et la tolérance de la thérapie. Par ailleurs, seules les concentrations plasmatiques sont actuellement considérées pour le suivi thérapeutique des médicaments, alors que les taux cellulaires pourraient mieux refléter l'activité de ses médicaments qui agissent au niveau intracellulaire. L'objectif global de cette thèse était de mieux comprendre les facteurs pharmacocinétiques et pharmacocénétiques influençant l'exposition plasmatique et cellulaire des médicaments antirétroviraux. A cet effet, des méthodes pour quantifier les concentrations plasmatiques et cellulaires des antirétroviraux ont été développées et validées en utilisant la chromatographie liquide couplée à la détection ultraviolette et la spectrométrie de masse en tandem, respectivement. La corrélation entre l'exposition cellulaire et plasmatique de ces médicaments a été étudiée lors d'études observationnelles et expérimentales. Les polymorphismes du cytochrome (CYP) 2B6, ainsi que des transporteurs d'efflux (ABCB1, ABCC1, ABCC2 et ABCG2) et de l'orosomucoïde (ORM) ont été déterminés et corrélés avec l'exposition plasmatique et cellulaire des antirétroviraux, ainsi qu'à leur toxicité. Un modèle de pharmacocinétique de population a été établi afin de caractériser la variabilité inter- et intra-individuelle de l'atazanavir, et d'identifier les covariables pouvant influencer le devenir de ce médicament. Dans ce contexte, une étude d'interaction entre l'atazanavir et le lopinavir a été effectuée afin de déterminer la sécurité et le profil pharmacocinétique de ce régime thérapeutique. Des corrélations modérées à bonnes ont été observées entre les taux cellulaires et plasmatiques des inhibiteurs de protéase, alors que pour l'efavirenz et la névirapine ces corrélations sont faibles. L'exposition cellulaire, ainsi que le génotype du CYP2B6 (516G>T) sont des indices de la toxicité neuropsychologique de l'efavirenz. L'exposition plasmatique de la névirapine est également influencée par le polymorphisme du CYPZB6. L'exposition cellulaire du nelfinavir est significativement associée au génotype du ABCB1 (3435C>T et intron 26 + 80T>C). La clairance de l'indinavir et du lopinavir, ainsi que le rapport entre exposition cellulaire et plasmatique du lopinavir sont influencés par la concentration du variant S de l'ORM, suggérant une liaison spécifique de ces médicaments à ce variant. La clairance du nelfinavir et de l'efavirenz n'est pas influencée ni par la concentration ni par le phénotype de l'ORM. Les paramètres pharmacocinétiques de l'atazanavir ont été décrits de façon adéquate par le modèle de population proposé. De plus, le lopinavir n'influence pas les concentrations plasmatiques et cellulaires de l'atazanavir; alors que celui-ci conduit à une baisse limitée des taux de lopinavir. L'importante variabilité pharmacocinétique des antirétroviraux suggère que d'autres facteurs génétiques et environnementaux -qui restent encore à découvrir- influencent également leur disponibilité. Dans un proche futur, une prise en charge qui tienne. compte de la pharmacocinétique des médicaments et des caractéristiques génétiques du patient devrait permettre d'individualiser le traitement, contribuant certainement à une amélioration de la réponse thérapeutique et à une diminution de la toxicité. Résumé grand public Facteurs pharmacocinétiques et pharmacogénétiques influençant l'exposition plasmatique et cellulaire des antirétroviraux Les progrès effectués dans le traitement de l'infection par le virus de l'immunodéficience humaine acquise (VIH), ont permis de transformer une maladie avec un pronostic sombre, en une maladie chronique traitable avec des médicaments de plus en plus efficaces. Malgré ce succès, de nombreux patients ne répondent pas de façon optimale à leur traitement et/ou souffrent d'effets indésirables médicamenteux entraînant fréquemment une modification de leur thérapie. Actuellement, le suivi de la réponse au traitement s'effectue par la mesure chez les patients de la quantité de virus et du nombre des cellules immunitaires dans le sang, ainsi que par la concentration sanguine des médicaments administrés. Cependant, comme le virus se réplique à l'intérieur de la cellule, la mesure des concentrations médicamenteuses au niveau intracellulaire pourrait mieux refléter l'activité pharmacologique au site d'action. De plus, il a été possible de mettre en évidence la grande variabilité des concentrations plasmatiques de médicaments chez des patients prenant pourtant la même dose de médicament. Comme cette variabilité est notamment due à des facteurs génétiques qui sont susceptibles d'influencer la réponse au traitement antirétroviral, des analyses génétiques ont été également effectuées chez ces patients. Cette thèse a eu pour objectif de mieux comprendre les facteurs pharmacologiques et génétiques influençant l'activité et la toxicité des médicaments antirétroviraux afin de réduire la variabilité de la réponse thérapeutique. A cet effet, une méthode de dosage permettant la quantification des médicaments anti-HIV au niveau intracellulaire a été développée. Par ailleurs, nos études ont également porté .sur les variations génétiques influençant la quantité et l'activité des protéines impliquées dans le métabolisme et dans le transport des médicaments antirétroviraux. Enfin, les conséquences de ces variations sur la réponse clinique et la toxicité du traitement ont été évaluées. Nos études ont mis en évidence des associations significatives entre les variations génétiques considérées et la concentration sanguine, cellulaire et la toxicité de quelques médicaments antirétroviraux. La complémentarité des connaissances pharmacologiques, génétiques et virales pourrait aboutir à une stratégie globale permettant d'individualiser le traitement et la dose administrée, en fonction des caractéristiques propres de chaque patient. Cette approche pourrait contribuer à une optimisation du traitement antirétroviral dans la perspective d'une meilleure- efficacité thérapeutique à long terme et d'une diminution des effets indésirables rencontrés.

Analysis of susceptibility to human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) by comparative genetics

Summary [résumé français voir ci-dessous] From the beginning of the 20th century the world population has been confronted with the human immune deficiency virus 1 (HIV-1). This virus has the particularity to mutate fast, and could thus evade and adapt to the human host. Our closest evolutionary related organisms, the non-human primates, are less susceptible to HIV-1. In a broader sense, primates are differentially susceptible to various retrovirus. Species specificity may be due to genetic differences among primates. In the present study we applied evolutionary and comparative genetic techniques to characterize the evolutionary pattern of host cellular determinants of HIV-1 pathogenesis. The study of the evolution of genes coding for proteins participating to the restriction or pathogenesis of HIV-1 may help understanding the genetic basis of modern human susceptibility to infection. To perform comparative genetics analysis, we constituted a collection of primate DNA and RNA to allow generation of de novo sequence of gene orthologs. More recently, release to the public domain of two new primate complete genomes (bornean orang-utan and common marmoset) in addition of the three previously available genomes (human, chimpanzee and Rhesus monkey) help scaling up the evolutionary and comparative genome analysis. Sequence analysis used phylogenetic and statistical methods for detecting molecular adaptation. We identified different selective pressures acting on host proteins involved in HIV-1 pathogenesis. Proteins with HIV-1 restriction properties in non-human primates were under strong positive selection, in particular in regions of interaction with viral proteins. These regions carried key residues for the antiviral activity. Proteins of the innate immunity presented an evolutionary pattern of conservation (purifying selection) but with signals of relaxed constrain if we compared them to the average profile of purifying selection of the primate genomes. Large scale analysis resulted in patterns of evolutionary pressures according to molecular function, biological process and cellular distribution. The data generated by various analyses served to guide the ancestral reconstruction of TRIM5a a potent antiviral host factor. The resurrected TRIM5a from the common ancestor of Old world monkeys was effective against HIV-1 and the recent resurrected hominoid variants were more effective against other retrovirus. Thus, as the result of trade-offs in the ability to restrict different retrovirus, human might have been exposed to HIV-1 at a time when TRIM5a lacked the appropriate specific restriction activity. The application of evolutionary and comparative genetic tools should be considered for the systematical assessment of host proteins relevant in viral pathogenesis, and to guide biological and functional studies. Résumé La population mondiale est confrontée depuis le début du vingtième siècle au virus de l'immunodéficience humaine 1 (VIH-1). Ce virus a un taux de mutation particulièrement élevé, il peut donc s'évader et s'adapter très efficacement à son hôte. Les organismes évolutivement le plus proches de l'homme les primates nonhumains sont moins susceptibles au VIH-1. De façon générale, les primates répondent différemment aux rétrovirus. Cette spécificité entre espèces doit résider dans les différences génétiques entre primates. Dans cette étude nous avons appliqué des techniques d'évolution et de génétique comparative pour caractériser le modèle évolutif des déterminants cellulaires impliqués dans la pathogenèse du VIH- 1. L'étude de l'évolution des gènes, codant pour des protéines impliquées dans la restriction ou la pathogenèse du VIH-1, aidera à la compréhension des bases génétiques ayant récemment rendu l'homme susceptible. Pour les analyses de génétique comparative, nous avons constitué une collection d'ADN et d'ARN de primates dans le but d'obtenir des nouvelles séquences de gènes orthologues. Récemment deux nouveaux génomes complets ont été publiés (l'orang-outan du Bornéo et Marmoset commun) en plus des trois génomes déjà disponibles (humain, chimpanzé, macaque rhésus). Ceci a permis d'améliorer considérablement l'étendue de l'analyse. Pour détecter l'adaptation moléculaire nous avons analysé les séquences à l'aide de méthodes phylogénétiques et statistiques. Nous avons identifié différentes pressions de sélection agissant sur les protéines impliquées dans la pathogenèse du VIH-1. Des protéines avec des propriétés de restriction du VIH-1 dans les primates non-humains présentent un taux particulièrement haut de remplacement d'acides aminés (sélection positive). En particulier dans les régions d'interaction avec les protéines virales. Ces régions incluent des acides aminés clé pour l'activité de restriction. Les protéines appartenant à l'immunité inné présentent un modèle d'évolution de conservation (sélection purifiante) mais avec des traces de "relaxation" comparé au profil général de sélection purifiante du génome des primates. Une analyse à grande échelle a permis de classifier les modèles de pression évolutive selon leur fonction moléculaire, processus biologique et distribution cellulaire. Les données générées par les différentes analyses ont permis la reconstruction ancestrale de TRIM5a, un puissant facteur antiretroviral. Le TRIM5a ressuscité, correspondant à l'ancêtre commun entre les grands singes et les groupe des catarrhiniens, est efficace contre le VIH-1 moderne. Les TRIM5a ressuscités plus récents, correspondant aux ancêtres des grands singes, sont plus efficaces contre d'autres rétrovirus. Ainsi, trouver un compromis dans la capacité de restreindre différents rétrovirus, l'homme aurait été exposé au VIH-1 à une période où TRIM5a manquait d'activité de restriction spécifique contre celui-ci. L'application de techniques d'évolution et de génétique comparative devraient être considérées pour l'évaluation systématique de protéines impliquées dans la pathogenèse virale, ainsi que pour guider des études biologiques et fonctionnelles

A la recherche de symptômes de désorientation dépendant d'un déficit d'intégration multisensorielle chez l'animal : un éclairage sur les mécanismes fondamentaux de la schizophrénie

Abstract Fundamental research in psychiatric neurosciences assumes that psychiatric disorders are associated with neurobiological factors. Identification of these factors would provide therapeutic targets as well as a better understanding of the relationship between- brain and behaviour in pathological processes. We conducted experiments in an animal model of schizophrenia. Several behavioural tasks were used to evaluate spatial and working memory in these animals. The model is based on glutathione deficit during cerebral development. Indeed, a 50% decrease of glutathione has been reported in prefrontal cortex of patients with schizophrenia. Glutathione is a major antioxidant in the brain and its deficit could lead to abnormal brain connectivity. The glutathione deficit was induced in rats by perinatal (PS-P16) subcutaneous injections with Lbuthionine-(S,R)-sullfoximine (BSO), an inhibitor of glutathione synthesis. This treatment leads to a transitory 50% glutathione levels during brain development. In parallel, we conducted behavioural testing in rats with a medial prefrontal cortex lesion. This allowed us to compare early damage induced by BSO treatment with a focal lesion in adults of a brain area known to present anomalies in schizophrenia. Finally, we conducted a series of experiments in senescent rats to evaluate if cognitive deficits could be related to neurobiological changes. Our results show that an early glutathione deficit provokes cognitive deficits in adulthood. These spatial and working memory deficits resemble the cognitive deficits observed in schizophrenia. The comparison with prefrontal rats revealed that the early brain glutathione deficit provoked more severe cognitive deficits than the prefrontal lesion in adult rats. Moreover, in both cases, we observed a dissociation in memory deficits depending on the type of locomotion that was used in behavioural experiments. Indeed, BSO treated rats as well as prefrontal rats showed place learning or working memory deficits in tasks conducted on dry surfaces where they had to walk. In contrast, they showed no deficit when the same cognitive functions were tested in the water maze. This dissociation might be sustained by a difference in requirement of sensory integration between walking and swimming tasks. Résumé La recherche fondamentale en neurosciences psychiatriques repose sur le présupposé selon lequel les symptômes manifestés dans les troubles psychiatriques auraient des concomitants neurobiologiques. Ceux-ci, une fois identifiés, offriraient des cibles pour une démarche thérapeutique ainsi que des modèles permettant de mieux comprendre les soubassements biologiques du comportement et des activités mentales. Nos expériences s'articulent autour de la question de la modélisation de la schizophrénie chez l'animal. Nous avons recherché chez ces animaux des troubles cognitifs et sensoriels associés à la schizophrénie. En effet, chez l'homme comme chez l'animal, la mémoire spatiale et la mémoire de travail dépendent fortement de la capacité d'intégration et d'organisation des informations sensorielles. Les premières expériences ont été menées suite à une perturbation périnatale du développement cérébral. Celle-ci visait à reproduire une diminution du taux de glutathion dans le cerveau, des recherches précédentes ayant observé une diminution de 50% du taux de glutathion dans le cortex préfrontal de patients schizophrènes. Le glutathion étant un antioxydant majeur dans le cerveau, son déficit pourrait conduire à des perturbations de la circuiterie cérébrale. Nous avons reproduit ce déficit chez le rat, par injection de Lbuthionine-(S,R)-sullfoximine (BSO), un inhibiteur de la synthèse du glutathion... Ce traitement a été administré pendant la période périnatale (du jour postnatal 5 au jour 16) provoquant une diminution de 50% du taux de glutathion. Nous avons ensuite évalué lës répercussions de cette atteinte précoce sur le comportement des rats à l'âge adulte. Ce modèle s'inscrit donc dans l'hypothèse neurodéveloppementale qui associe la schizophrénie à une atteinte du développement cérébral normal. Nous avons ensuite conduit des expériences similaires chez des rats ayant subi une lésion du cortex préfrontal pour comparer les répercussions du traitement périnatal avec une lésion, à l'âge adulte, d'une aire cérébrale connue pour présenter des anomalies chez les patients. Finalement, nous avons évalué si les processus sensoriels et cognitifs précédemment étudiés pouvaient également être affectés lors du vieillissement normal en recherchant des corrélats biologiques des déficits de mémoire liés à l'âge avancé. Nos résultats montrent que ce déficit précoce en glutathion peut avoir des répercussions surale comportement à l'âge adulte. On a relevé une similarité avec les déficits cognitifs associés.à la schizophrénie, incluant des déficits de mémoire de travail ainsi que des déficits de mémoire spatiale. Ces déficits étaient fortement liés au type de locomotion utilisée et n'ont été observés que dans les tâches où les animaux devaient rejoindre un but en marchant mais pas dans lés tests dans lesquels ils devaient localiser une cible en nageant. Les déficits induits par la lésion préfrontale chez l'adulte étaient beaucoup plus légers que ceux découlant de l'atteinte périnatale mais présentaient une dissociation analogue en fonction du type de locomotion. De plus, des tests similaires menés au cours du vieillissement confirment que la mémoire de travail peut être affectée sélectivement par le vieillissement dans une tâche où les animaux doivent marcher, tout en restant intacte dans le bassin de Morris. Les déficits cognitifs liés au vieillissement étaient significativement corrélés à des différences de niveaux des protéines post-synaptiques PSD95 (postsynaptic density 95). L'ensemble des résultats montre que les tests qui sont fréquemment utilisés pour évaluer la mémoire chez l'animal pourraient faire appel à des processus différents. Cette différence pourrait notamment tenir au niveau d'intégration sensorielle requis pour résoudre la tâche, qui est particulièrement sollicitée au cours d'une locomotion intermittente.

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.

Increased connexin43 expression in human sphenous veins in culture is associated with intimal hyperplasia

Résumé Objectif : L'hyperplasie intimale est un processus de remodelage vasculaire qui apparaît après une lésion vasculaire. Les mécanismes impliqués dans l'hyperplasie intimale sont la prolifération, la dédifférentiation et la migration des cellules musculaires lisses depuis la média vers l'espace sous-intimal. Nous avons émis l'hypothèse que les jonctions communicantes de type gap, qui coordonnent certains processus physiologiques tels que la croissance et la différentiation cellulaire, pouvaient participer au développement de l'hyperplasie intimale. Méthodes : Des segments de veines saphènes humaines prélevées chirurgicalement lors de pontages, ont été ouverts longitudinalement avec la surface luminale placée vers le haut et maintenus en culture pendant 14 jours. Des fragments veineux ont été préparés pour une évaluation histologique, pour des mesures de l'épaisseur de la néointima, et pour des analyses immunocytochimiques de l'ARN messager ainsi que des protéines. Résultats : Parmi les 4 connexines (Cxs 37, 40, 43 et 45) qui forment les jonctions communicantes dans les veines, nous avons focalisé notre étude sur l'expression des Cxs 43 et 40; nous avons démontré que la Cx43 est exprimée dans les cellules musculaires lisses et les cellules endothéliales alors que la Cx40 est uniquement présente dans l'endothélium. Après 14 jours en culture, des analyses histomorphométriques ont montré une augmentation significative de l'épaisseur de l'intima démontrant la présence d'hyperplasie intimale. Une analyse temporelle a révélé une augmentation progressive de la Cx43 jusqu'à une augmentation maximale de six à huit fois au niveau de l'ARN messager et des protéines après 14 jours en culture. Au contraire, l'expression de la Cx40 n'était pas modifiée. Des analyses par immunofluorescence ont montré également une augmentation de la Cx43 dans les membranes des cellules musculaires lisses de la média. Le développement de l'hyperplasie intimale in vitro est diminué en présence de fluvastatin et cette diminution est associée à une réduction de l'expression de la Cx43. Conclusions : Ces données démontrent que la Cx43 est augmentée in vitro pendant le processus d'hyperplasie intimale et que la fluvastatin prévient cette induction. Ces résultats suggèrent un rôle crucial joué par la communication intercellulaire impliquant la Cx43 dans la veine humaine durant le développement de l'hyperplasie intimale. Abstract Objective: Intimal hyperplasia is a vascular remodelling process that occurs after a vascular injury. The mechanisms involved in intimal hyperplasia are proliferation, dedifferentiation, and migration of medial smooth muscle cells towards the subintimal space. We postulated that gap junctions, which coordinate physiologic processes such as cell growth and differentiation, might participate in the development of intimal hyperplasia. connexin43 (Cx43) expression levels may be altered in intimal hyperplasia, and we therefore evaluated the regulated expression of Cx43 in human saphenous veins in culture in the presence or not of fluvastatin, an inhibitor of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A reductase activity. Methods: Segments of harvested human saphenous veins, obtained at the time of bypass graft, were opened longitudinally with the luminal surface uppermost and maintained in culture for 14 days. Vein fragments were then processed for histologic examination, neointimal thickness measurements, immunocytochemistry, RNA, and proteins analysis. Results: Of the four connexins (Cx37, 40, 43, and 45), we focused on Cx43 and Cx40, which we found by real-time polymerase chain reaction to be expressed in the saphenous vein because they are the predominant connexins expressed by smooth muscle cells and endothelial cells. Afrer 14 days of culture, histomorphometric analysis showed a significant increase in the intimal thickness as observed during the process of intimal hyperplasia. Atime-course analysis revealed a progressive upregulation of Cx43 to reach a maximal increase of sixfold to eightfold at both transcript and protein levels after 14 days in culture. In contrast, the expression of Cx40, abundantly expressed in the endothelial cells, was not altered. Immunofluorescence showed a large increase in Cx43 within smooth muscle cell membranes of the media layer. The development of intimal hyperplasia in vitro was decreased in presence of fluvastatin and was associated with reduced Cx43 expression. Conclusions: These data show that Cx43 is increased in vitro during the process of intimal hyperplasia and that fluvastatin could prevent this induction, supporting a critical role for Cx43-mediated gap-junctional communication in the human vein during the development of intimal hyperplasia. (J Vasc Surg 2005;41:1043-52.)

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.

Lats2, a novel regulator of Elongin BC ubiquitin ligase

Résumé : Le Large tumor suppressor, Lats2, est une protéine humaine homologue au suppresseur de tumeur Warts (Lats) de Drosophila melanogaster, qui réprime la prolifération des cellules en altérant leur cycle au niveau des transitions Gl/S et G2/M, et en induisant l'apoptose. Pourtant, la voie moléculaire par laquelle Lats2, une sériase-thréonine kinase, déclenche l'arrêt du cycle cellulaire, est toujours inconnue. Notre équipe a d'abord déterminé que Lats2 était un gène de réponse à la protéine p53 (Kostic et al., 2000). Par la suite, nous avons identifié des protéines interagissant avec Lats2, notamment les modules de reconnaissance du substrat des ligases Colline E3 (des protéines contenant Socs box ou F box) ainsi que deux Bous-unités du Signalosome CSN: CSN4 et CSNS. En outre, Lats2 est connue pour s'associer au Super-complexe composé de CSN et des ligases Colline E3 (Rongere, thesis, 2004; Rongere, unpublished results, 2005). Le travail présenté ici sur Lats2 a confirmé que cette protéine est une kinase associée à CSN. Nous avons caractérisé les interactions spécifiques de domaines de Lats2 avec hSocs3, hWsb 1 (des protéines Socs box) et hFBX-7 (une protéine F box), ainsi que les conséquences physiologiques des interactions avec hSocs3, hWsb1 et hSocs1. Des expériences de GST pull-down ont montré que les deux domaines, N-terminal et kinase, de Lats2 interagissent avec hSocs3, hWsb1 et hFBX-7, ce qui suggère aussi que l'ensemble de la protéine Lats2 est impliqué dans ces interactions. Une étude approfondie des interactions entre Lats2 et hSocs3 indique que le domaine kinase de Lats2 interagit avec la région de hSocs3 contenant un domaine SH2, situé en amont du domaine Socs box de hSocs3. Par ailleurs, Lats2 phosphoryle des régions spécifiques entre les domaines N-terminal et SH2 (Sl), et, entre les domaines SH2 et Socs box (S3) de la protéine hSocs3. Ces résultats révèlent que hSocs3 est un.nouveau substrat de Lats2. Des modifications de l'activité kinase ont aussi révélé que la protéine sauvage Lats2 (wt Lats2) était capable de phosphoryler hSocs3, alors qu'un mutant dead du domaine kinase Lats (poche ATP délétée, Lats2OATP) non. L'analyse des mutations a permis d'identifier deux résidus sériase situés aux positions 1441145 (S3), spécifiquement phosphorylés par wt Lats2. La phosphorylation des protéines représentant un signal de dégradation protéolytique, nous avons envisagé que Lats2 pouvait cibler hSocs3 pour une dégradation protéasomale. Lorsque wt Lats2 est surexprimée dans des cellules HEK293T et COS7, la demi-vie de hSocs3, un élément de la ligase Elongine BC-Colline É3 (ligase EBC), diminue significativement, effet que n'a pas la surexpression de Lats2OATP. De plus, la stabilité de hSocs3 dépend de la phosphorylation des résidus sériase aux positions 144/145 par wt Lats2. Bien que les sites de phosphorylation ne soient pas définis pour les deux autres modules de reconnaissance du substrat de la ligase EBC: hWsb 1 et hSocsl, leurs demi-vies diminuent également quand wt Lats2 est surexprimée. Pour les tests in vivo, nous avons synthétisé des esiRNA pour diminuer l'expression du gène endogène lats2, ce qui a entraîné une augmentation d'un facteur 2 de la demi-vie de hSocs3 et de hWsbl dans les cellules HEK293T. En conclusion, nos résultats suggérent que Lats2, une kinase associée au CSN, est un nouveau régulateur de la fonction des ligases EBC, agissant sur le renouvellement des protéines hSocs3, hSocs1 et hWsb1. Ainsi, Lats2 altère la spécificité et la capacité des ligases EBC, régulant par là même la stabilité de nombreuses protéines, ciblées par les ligases EBC pour une dégradation protéasomale. D'autres études devraient révéler si la modification observée de la fonction de la ligase EBC par Lats2, associée au Super-complexe, est également responsable du renouvellement des régulateurs du cycle cellulaire et des changements dans ce même cycle observés lors de la surexpression de Lats2. Summary : The Large tumor suppressor 2 (Lats2) is a human homologue of the Drosophila melanogaster tumor suppressor Warts (Cats) who negatively regulates cell proliferation by altering cell cycle Gl/S and G2/M transition and inducing apoptosis. However, the molecular pathway by which Lats2, a serine-threonine kinase, mediates cell cycle arrest is still unknown. Lats2 was initially identified to be a p53 response gene by our group (Kostic et al., 2000). Subsequently, our group identified interacting candidates of Lats2, including substrate recognition modules of Cullin-based E3 ligases (Socs box or F-box containing proteins) as well as two subunits of the Signalosome (CSN), CSN4 and CSNS. Additionally, Lats2 was shown to associate with a Super-complex, composed of CSN and Cullin-based E3 ligases (Rongere, thesis, 2004; Rongere, unpublished results, 2005) We hypothesized that Lats2 may perform its physiological function through interaction with CSN and Cullin-based E3 ligases. The present work on Lats2 has confirmed that Lats2 is a CSN associated kinase. We defined the domain specific interactions of Lats2 with hSocs3, hWsb1 (Sots box proteins) and hFBX-7 (F box protein), as well as the physiological consequences of interaction with hSocs3, hWsb1 and hSocs1. Both the N-terminal and the kinase domains of Lats2 interact with full-length hSocs3, hWsb1 and hFBX-7, determined in GST pull-down assays suggesting that full-length Lats2 protein is involved in interactions. Refinement of the Lats2 interaction with hSocs3 indicated that the kinase domain of Lats2 interacts with a region of hSocs3 containing a SH2 domain located upstream of the Socs box domain of the hSocs3. Moreover, Lats2 phosphorylated specific regions between the N-terminal and SH2 domain (S l) as well as between the SH2 domain and Socs box domain of hSocs3 (S3).These results indicate that hSocs3 is a novel Lats2 substrate. The kinase assay has also demonstrated that wt Lats2 was able to phosphorylate hSocs3, but not Lats2 kinase dead mutant (deleted ATP pocket, Lats20ATP). Mutational analysis identified two serine residues located at positions 144/145 (S3) to be specifically phosphorylated by wt Lats2. Phosphorylation of proteins has been shown to be a signal for proteolytic degradation of many characterized proteins. Thus we hypothesized that Lats2 could target hSocs3 for proteasomal degradation. When wt Lats2 was over-expressed in HEK293T cells and COST cells, the half-life of hSocs3, as a component of Elongin BC Cullin-based E3 ubiquitin ligase (EBC ligase), decreased significantly. In contrast, aver-expression of the Lats2OATP did not alter the half-life of hSocs3. Furthermore, the stability of hSocs3 depended on phosphorylation of serine residues at positions 144/145 by wt Lats2. Although the sites of phosphorylation were not defined for two other substrate recognition modules of EBC ligasehWsbl and hSocsl, their half-lives also decreased when wt Lats2 was over-expressed. To test in vivo, we synthesized esiRNA to knock-down endogenous Lats2 and subsequently we measured the half-lives of hSocs3 and hVVsb l . Here we demonstrated that the half-lives of hSocs3 and hWsbl were increased by the factor of two in Lats2-depleted HEK293T cells. In conclusion, our findings suggest that Lats2, a CSN associated kinase, is a novel regulator of EBC ligase function by regulating the turn-over of hSocs3, hSocs1 and hWsb1. Thus, Lats2 alters the specificity and capacity of EBC ligases regulating thereby the stability of numerous proteins which are targeted by EBC ligases for proteasomal degradation. Further studies should reveal whether the observed modulation of EBC ligase function by Lats2 associated with a Super-complex is also responsible for the turn-over of cell cycle regulators and the observed alteration in cell cycle by Lats2 over-expression.

Sensitization of endothelial cells to TNFα-induced death

RESUME L'angiogénèse tumorale est un processus essentiel au développement des tumeurs. Les intégrines, molécules d'adhésions transmembranaires, sont d'importants effecteurs de l'angiogenèse. En permettant l'adhésion à la matrice extra-cellulaire, les intégrines transmettant des signaux de survie, de migration, et de prolifération. Le facteur de nécrose tumorale α (TNFα) est utilisé pour le traitement régional de cancers chez l'homme. II agit en détruisant sélectivement les vaisseaux angiogéniques. Cependant, son administration systémique chez l'homme est limitée par les réactions de vaso-dilatation sévères qu'il provoque. Le but de mon travail fut de rechercher des conditions permettant la sensibilisation des cellules endothéliales au TNFα et qui pourraient être applicables en clinique, ceci afin d'accroître l'efficacité de cette molécule. Nous avons testé la possibilité d'interférer avec les signaux de survie provenant des intégrines. Pour cela, des cellules endothéliales furent cultivées dans des conditions d'adhésion ou en suspension, ou alors exposées dans des conditions d'adhésion au zoledronate (biphosphonate contenant du nitrogène). Dans ces conditions, les effets du TNFα sur les cellules endothéliales furent étudiés, en particulier l'induction de la mort cellulaire. Dans ce travail, nous montrons que le zoledronate sensibilise les cellules endothéliales à la nécrose induite par TNFα. Cet effet s'accompagne de l'inhibition de la phosphorylation de FAK, PKB, et JNK, ainsi que de l'inhibition de la prénylation des protéines. En revanche, l'activation de NF-kB et p38 n'est pas perturbée. La restoration de la prénylation des protéines empêche la mort des HUVEC traitées par zoledronate et TNFα, et rétablit la phosphorylation de FAK, PKB, et JNK. Des essais d'angiogénèse in vivo montrent que le zoledronate inhibe l'angiogénèse induite par FGF-2. Le zoledronate encapsulé dans des liposomes permet de ralentir la croissance tumorale et synergise avec le TNFα en l'inhibant. L'inihibtion de la prénylation des protéines est un des mécanismes de sensibilisation du zoledronate au TNFα. In vivo, la synergie de leur association sur la croissance tumorale est efficace. Ces résultats encouragent la poursuite de l'étude des effets de ces deux drogues sur la croissance tumorale. SUMMARY The formation of tumor-associated vessels is essential for tumor progression. Cell adhesion molecules of the integrin family are important mediators of angiogenesis, by providing adhesive signals necessary for endothelial cell migration, proliferation and survival. Anti-angiogenic therapies are currently considered as highly promising in the treatment of human cancer. Tumor Necrosis Factor α (TNFα) is used for the regional treatment of human cancer, whose mechanisms of action involved selective disruption of angiogenic tumor vessels. Systemic administration of TNFα in humans, however, induces a severe inflammatory condition that prevents its use far the treatments of tumors localized outside of limbs. The aim of my work was to find strategies to sensitize angiogenic endothelial cells to TNFα-induced death, which could be potentially translated into clinical setting to improve the therapeutic efficacy of TNFα. We specifically tested the hypothesis whether interference with integrin-mediated adhesion and signaling may sensitize endothelial cells to TNFα-induced death. To test this hypothesis we cultured endothelial cells (EC) under conditions of cell-matrix or cell-cell adhesion or exposed matrix-adherent EC to the nitrogen-containing bisphosphonate zoledronate, and characterized the effect on TNFα-mediated signaling events and cell death. We show that zoledronate sensitizes HUVEC to TNFα-induced necrosis-like programmed cell death. This effect was associated with suppression of sustained phosphorylation of PKB and JNK and decreased protein prenylation, whereas TNFα-induced activation of NF-kB and p38 were not inhibited. Restoration of protein prenylation rescued HUVEC from zoledronate and TNFα-induced death, and restored FAK, PKB and JNK phosphorylation. By using in vivo angiogenesis assay we showed that zoledronate suppressed FGF-2-induced angiogenesis. Liposome-encapulated zoledronate partially inhibited tumor growth and synergized with TNFα to fully suppress tumor growth. Taken together, this work has identified protein prenylation as a mechanisms by which zoledronate sensitizes endothelial cells to TNFα-induced death in vitro and provides initial evidence that zoledronate synergizes with TNFα in vivo resulting in improved anti-tumor activity. These results warrant further study of the anti-tumor effects of zoledronate and TNFα and should be further studies in view of their clinical relevance.

Characterization of PHO1 and PHO1;H1 gene function in Arabidopsis thaliana

Summary Phosphorus is one of the major macronutrients required for plant growth and development. Plant roots acquire phosphorus as inorganic phosphate (Pi), which is further distributed to the shoot, via the transpiration stream and root pressure, where Pi is imported again into cells. PHO1 in Arabidopsis has been identified as a protein involved in the loading of Pi into the root xylem. PHO1 does not have any homology to described Pi transporters including the Pht1 family of H+/ Pi cotransporters. PHO1 bears two domains, SPX and EXS domains, previously identified in Saccharomyces cerevisiae proteins involved in Pi transport and/or sensing, or in sorting proteins to endomembranes. Phylogenetic analysis of the PHO1 gene family revealed the presence of three clusters, with PHO1 and PHO1;H1 forming one cluster. The biological significance behind this cluster was demonstrated by the complementation of the pho1 mutant with only PHO1 and PHO1;H1, of all the PHO1 family members, when expressed under the PHO1 promoter. PHO1 has been shown to be expressed mostly in the root vascular cylinder and at low level in the shoot. PHO1;H1 had a different expression pattern, being expressed in both root and shoot vascular cylinder to the same level, with the levels in leaves increasing with the leaf maturity, suggesting additional role of PHO1;H1 in the Pi mobilization in leaves. In order to further explore the role of PHO1, Pi dynamics was studied on plants expressing PHO1 at different levels compared to the wild type: PHO1 overexpressors, PHO1 underexpressors and the pho1 mutant. Overexpression of the PHO1 protein in the shoot vascular tissue was shown to lead to increased Pi efflux out of the leaf cells and Pi accumulation in the shoot xylem apoplast compared to wild type, confirming the hypothesized role of PHO1 in xylem loading with Pi. The overexpression of PHO1 in the shoot was responsible far both changed Pi dynamic and stunted growth of PHO1 overexpressors, as shown by grafting experiments between wild type and PHO1 overexpressor. We found a ca. 2 fold decrease of shoot phosphorus and a 5-10 fold decrease in vacuolar Pi content in the PHO1 underexpressors and the pho1 null mutant compared to wild type, consistent with the role of PHO1 in the transfer of Pi from the root to the shoot. Shoot Pi deficiency results in a poor growth of the pho1 mutant. Grafting experiments between pho1 and wild type confirmed that both Pi deficiency and stunt growth of the pho1 mutant were dependent on the pho1 root, further supporting the importance of PHO1 in the root xylem loading with Pi. The pho1 mutant and the PHO1 underexpressors accumulated 8-15 fold more Pi in the root relative to wild type. In contrast to the pho1 mutant, the growth of PHO1 underexpressors was not impaired by the low shoat Pi content. This finding suggests that either PHO1 protein or root Pi concentration is important in Pi signaling and development of Pi deficiency symptoms leading to reduced growth. Résumé Le phosphore est l'un des nutriments essentiels à la croissance et au développement des plantes. Les racines absorbent le phosphore sous forme de phosphate inorganique (Pi) qui est dirigé, par la transpiration et la pression de la racine, vers les feuilles où le phosphate est acquis par les cellules. La protéine PHO1 a été démontrée indispensable au chargement du Pi dans le xylème des racines d'Arabidopsis. PHO1 ne démontre pas d'homologie aux transporteurs de Pi connus, incluant la famille Pht1 de cotransporteurs H+/Pi qui ont comme fonction le transport du phosphate à l'intérieur de la cellule. PHO1 contient deux domaines, SPX et EXS, aussi présents dans des protéines de Saccharomyces cerevisiae impliquées dans le transport ou la perception du phosphate, ou dans la localisation des protéines vers différentes membranes. Le génome d'Arabidopsis contient onze gènes homologues à PHO1. Neuf de ces homologues sont répartis en trois groupes. PHO1 et PHO1;H1 forment un de ces groupes. Nos travaux ont démontré que seuls PHO1;H1 et PHO1, sous contrôle du promoteur PHO1, peuvent complémenter le mutant pho1. PHO1 est exprimé principalement dans le cylindre vasculaire de la racine et faiblement dans la partie aérienne. Le degré d'expression de PHO1;H1 est similaire dans le cylindre vasculaire de la racine et des feuilles. Ceci suggère que PHO1;H1 est aussi impliqué dans la mobilisation du Pi dans les feuilles, en plus de son rôle dans le transfert du Pi dans le xylème des racines. Afin de mieux explorer le rôle de PHO1, la dynamique du phosphate a été observée dans trois lignées de plantes transgéniques: un sur-expresseur de PHO1, un sous-expresseur de PHO1 et le mutant pho1. La sur-expression de PHO1 dans le tissue vasculaire des feuilles a provoqué l'efflux du Pi vers l'espace apoplastic du xylème, ce qui confirme le rôle de PHO1 dans le chargement du Pi dans le xylème. La sur-expressìon de PHO1 dans la rosette est responsable d'un changement de la dynamique du Pi et de la diminution de la croissance, ce qui fut démontré par une expérience de greffe de la rosette du sur-expresseur de PHO1 sur les racines du sauvage. On a observé pour le sous-expresseur de PHO1 et le mutant pho1 une diminution du phosphore d'environ 2 fais au niveau des feuilles, et une diminution de 5-10 fois du Pi dans les vacuoles des feuilles, par rapport au sauvage. Ceci confirme le rôle proposé de PHO1 dans le transfert du Pi des racines aux feuilles. La carence de Pi chez pho1 implique une diminution de la taille de la rosette. Pour expliquer ce phénotype une autre expérience de greffe démontra que la cause de ce changement provenait des racines. Ceci renforce l'hypothèse de l'importance du rôle de PHO1 dans le xylème de la racine pour le chargement du Pi. Le mutant phot et le sous-expresseur de PHO1 accumulent 8-15 fois plus de Pi dans leurs racines comparé au sauvage. Cependant, contrairement au phot mutant, le sous-expresseur de PHO1 avait une croissance comparable au sauvage malgré le niveau bas du Pi dans les feuilles. Ceci suggère que la taille de la rosette lors d'une carence en Pi chez Arabidopsis serait la conséquence d'un changement de concentration de Pi dans les racines ou d'une influence de la protéine PHO1.

Identification and quantification techniques in mass spectrometry-based proteomics

Résumé La protéomique basée sur la spectrométrie de masse est l'étude du proteome l'ensemble des protéines exprimées au sein d'une cellule, d'un tissu ou d'un organisme - par cette technique. Les protéines sont coupées à l'aide d'enzymes en plus petits morceaux -les peptides -, et, séparées par différentes techniques. Les différentes fractions contenant quelques centaines de peptides sont ensuite analysées dans un spectromètre de masse. La masse des peptides est enregistrée et chaque peptide est séquentiellement fragmenté pour en obtenir sa séquence. L'information de masse et séquence est ensuite comparée à une base de données de protéines afin d'identifier la protéine d'origine. Dans une première partie, la thèse décrit le développement de méthodes d'identification. Elle montre l'importance de l'enrichissement de protéines comme moyen d'accès à des protéines de moyenne à faible abondance dans le lait humain. Elle utilise des injections répétées pour augmenter la couverture en protéines et la confiance dans l'identification. L'impacte de nouvelle version de base de données sur la liste des protéines identifiées est aussi démontré. De plus, elle utilise avec succès la spectrométrie de masse comme alternative aux anticorps, pour valider la présence de 34 constructions de protéines pathogéniques du staphylocoque doré exprimées dans une souche de lactocoque. Dans une deuxième partie, la thèse décrit le développement de méthodes de quantification. Elle expose de nouvelles approches de marquage des terminus des protéines aux isotopes stables et décrit la première méthode de marquage des groupements carboxyliques au niveau protéine à l'aide de réactifs composé de carbone 13. De plus, une nouvelle méthode, appelée ANIBAL, marquant tous les groupements amines et carboxyliques au niveau de la protéine, est exposée. Summary Mass spectrometry-based proteomics is the study of the proteome -the set of all expressed proteins in a cell, tissue or organism -using mass spectrometry. Proteins are cut into smaller pieces - peptides - using proteolytic enzymes and separated using different separation techniques. The different fractions containing several hundreds of peptides are than analyzed by mass spectrometry. The mass of the peptides entering the instrument are recorded and each peptide is sequentially fragmented to obtain its amino acid sequence. Each peptide sequence with its corresponding mass is then searched against a protein database to identify the protein to which it belongs. This thesis presents new method developments in this field. In a first part, the thesis describes development of identification methods. It shows the importance of protein enrichment methods to gain access to medium-to-low abundant proteins in a human milk sample. It uses repeated injection to increase protein coverage and confidence in identification and demonstrates the impact of new database releases on protein identification lists. In addition, it successfully uses mass spectrometry as an alternative to antibody-based assays to validate the presence of 34 different recombinant constructs of Staphylococcus aureus pathogenic proteins expressed in a Lactococcus lactis strain. In a second part, development of quantification methods is described. It shows new stable isotope labeling approaches based on N- and C-terminus labeling of proteins and describes the first method of labeling of carboxylic groups at the protein level using 13C stable isotopes. In addition, a new quantitative approach called ANIBAL is explained that labels all amino and carboxylic groups at the protein level.

Molecular evolution of the Drosophila olfactory system

The olfactory system is an attractive model to study the genetic mechanisms underlying evolution of the nervous system. This sensory system mediates the detection and behavioural responses to an enormous diversity of volatile chemicals in the environment and displays rapid evolution, as species acquire, modify and discard olfactory receptors and circuits to adapt to new olfactory stimuli. Drosophilids provide an attractive model to study these processes. The availability of 12 sequenced genomes of Drosophila species occupying diverse ecological niches provides a rich resource for genomic analyses. Moreover, one of these species, Drosophila melanogaster, is amenable to a powerful combination of genetic and electrophysiological analyses. D. melanogaster has two distinct families of olfactory receptors to detect odours, the well-characterised Odorant Receptors (ORs) and the recently identified lonotropic Receptors (IRs). In my thesis, I have provided new insights into the genetic mechanisms underlying olfactory system evolution through three distinct, but interrelated projects. First, I performed a comparative genomic analysis of the IR repertoire in 12 sequenced Drosophila species, which has revealed that the olfactory IRs are highly conserved across species. By contrast, a large fraction of IRs that are not expressed in the olfactory system - and which may be gustatory receptors - are much more variable in sequence and gene copy number. Second, to identify ligands for IR expressing olfactory sensory neurons, I have performed an electrophysiological screen in D. melanogaster using a panel of over 160 odours. I found that the IRs respond to a number of amines, aldehydes and acids, contrasting with the chemical specificity of the OR repertoire, which is mainly tuned to esters, alcohols and ketones. Finally, the identification of ligands for IRs in this species allowed me to investigate in detail the molecular and functional evolution of a tandem array of IRs, IR75a/IR75b/IR75c, in D. sechellia. This species is endemic to the Seychelles archipelago and highly specialised to breed on the fruits of Morinda citrifolia, which is repulsive and toxic for other Drosophila species. These studies led me to discover that receptor loss, changes in receptor specificity and changes in receptor expression have likely played an important role during the evolution of these IRs in D. sechellia. These changes may explain, in part, the unique chemical ecology of this species. - Le système olfactif est un excellent modèle pour étudier les mécanismes génétiques impliqués dans l'étude de l'évolution du système nerveux. Ce système sensoriel permet la détection de nombreux composés volatils présents dans l'environnement et est à la base des réponses comportementales. Il est propre à chaque espèce et évolue rapidement en modifiant ou en éliminant des récepteurs et leurs circuits olfactifs correspondants pour s'adapter à de nouvelles odeurs. Pour étudier le système olfactif et son évolution, nous avons décidé d'utiliser la drosophile comme modèle. Le séquençage complet de 12 souches de drosophiles habitant différentes niches écologiques permet une analyse génomique conséquente. De plus, l'une de ces espèces Drosophila melanogaster permet la combinaison d'analyses génétiques et électrophysiologiques. En effet, D. melanogaster possède 2 familles distinctes de récepteurs olfactifs qui permettent la détection d'odeurs: les récepteurs olfactifs (ORs) étant les mieux caractérisés et les récepteurs ionotropiques (IRs), plus récemment identifiés. Au cours de ma thèse, j'ai apporté des nouvelles connaissances qui m'ont permis de mieux comprendre les mécanismes génétiques à la base de l'évolution du système olfactif au travers de trois projets différents, mais interdépendants. Premièrement, j'ai réalisé une analyse génomique comparative de l'ensemble des IRs dans les 12 souches de drosophiles séquencées jusqu'à présent. Ceci a montré que les récepteurs olfactifs IRs sont hautement conservés parmi l'ensemble de ces espèces. Au contraire, une grande partie des IRs qui ne sont pas exprimés dans le système olfactif, et qui semblent être des récepteurs gustatifs, sont beaucoup plus variables dans leur séquence et dans le nombre de copie de gènes. Deuxièmement, pour identifier les ligands des récepteurs IRs exprimés par les neurones sensoriels olfactifs, j'ai réalisé une étude électrophysiologique chez D. melanogaster e η testant l'effet de plus de 160 composés chimiques sur les IRs. J'ai trouvé que les IRs répondent à un nombre d'amines, d'aldéhydes et d'acides, contrairement aux récepteurs olfactifs ORs qui eux répondent principalement aux esthers, alcools et cétones. Finalement, l'identification de ligands pour les IRs dans ces espèces m'a permis d'étudier en détail l'évolution fonctionnelle et moléculaire des IR75a/IR75b/IR75c dans D. sechellia. Cette espèce est endémique de l'archipel des Seychelles et se nourrit spécifiquement du fruit Morinda citrifolia qui est répulsif et toxique pour d'autres souches de drosophiles. Ces études m'ont poussé à découvrir que, la perte de IR75a, le changement dans la spécificité de IR75b ainsi que le changement dans l'expression de IR75c ont probablement joué un rôle important dans l'évolution des IRs chez D. sechellia. Ces changements peuvent expliquer, en partie, l'écologie chimique propre à cette espèce. Résumé français large public Le système olfactif permet aux animaux de détecter des milliers de molécules odorantes, les aidant ainsi à trouver de la nourriture, à distinguer si elle est fraîche ou avariée, à trouver des partenaires sexuels, ainsi qu'à éviter les prédateurs. Selon l'environnement et le mode de vie des espèces, le système olfactif doit détecter des odeurs très diverses ; en effet, un moustique qui recherche du sang humain pour se nourrir doit détecter des odeurs bien différentes d'une abeille qui recherche des fleurs. Dans ma thèse, j'ai essayé de comprendre comment les systèmes olfactifs d'une espèce évoluent pour s'adapter aux exigences induites par son environnement. Un très bon modèle pour étudier cela est la drosophile dont les différentes espèces se nichent dans des habitats très divers. Pour ce faire, j'ai étudié les récepteurs olfactifs de différentes espèces de la drosophile. Ces récepteurs sont des protéines qui se lient à des odeurs spécifiques. Lorsqu'ils se lient, ils activent un neurone qui envoie un signal électrique au cerveau. Ce signal est ensuite traité par ce dernier qui indique à la mouche si l'odeur est attractive ou répulsive. J'ai identifié les récepteurs olfactifs de plusieurs espèces de drosophile et étudié s'il y avait des différences entre elles. La plupart des récepteurs sont similaires entre les espèces, cependant dans l'une d'entre elles, certains récepteurs sont différents. Ce fait est particulièrement intéressant car cette espèce de drosophile se nourrit de fruits que les autres espèces n'apprécient pas. Comme nous ne savons pas quels récepteurs se lient à quelles odeurs, j'ai testé un grand nombre de composants odorants. Ceci m'a permis de constater que, effectivement, certains changements produits dans ces récepteurs expliquent pourquoi cette espèce aime particulièrement ces fruits. En outre, mes résultats contribuent à mieux comprendre les changements génétiques qui sont impliqués dans l'évolution du système olfactif.

Analysis of viral- and tumor antigen-specific CD4 T cell responses in healthy donors and melanoma patients

Résumé Des tentatives pour développer des traitements anti-cancéreux basés sur l'utilisation d'antigènes tumoraux ont commencé il y a plus de 10 ans. Depuis quelques années, un certain intérêt s'est portée sur une sous-population particulière des cellules du système immunitaire, les lymphocytes T CD4. Ces cellules jouent un rôle central dans les réponses immunitaires tant contre les virus que contre les cellules tumorales. Comme d'autres lymphocytes T, ces cellules sont activées de manière spécifique en reconnaissant un morceau d'antigène, appelé peptide. Ces peptides proviennent soit de protéines des cellules de l'hôte, soit des protéines étrangères (virus ou bactéries) soit de cellules transformées (cellules tumorales) et sont présentés aux lymphocytes T par des molécules du soi appelées CMH (complexe majeur d'histocompatibilité). Dans le cas des lymphocytes T CD4, ces molécules sont plus précisément des molécules du CMH de classe II (CMH II). Mis à part l'intérêt porté aux réponses médiées par les lymphocytes T cytotoxiques, un intérêt croissant pour les lymphocytes T CD4 s'est développé à cause de la place centrale qu'occupent ces cellules dans les réponses immunitaires. L'identification d'épitopes présentés par des molécules du CMH de classe II dérivés d'un grand nombre d'antigènes tumoraux, ainsi que le développement de techniques permettant de suivre les réponses immunitaires, offre des opportunités pour étudier de manière quantitative et qualitative les lymphocytes T CD4 spécifiques pour un antigène particulier chez des patients cancéreux. De plus, ces épitopes permettent d'induire des réponses médiées par les lymphocytes T CD4 et CD8 chez ces mêmes patients. Dans ce travail, notre premier but était de valider l'utilisation de multimères formés par des complexes peptide:molécules de CMH de class II (pCMH II) pour quantifier la réponse des cellules T CD4 dirigée contre l'épitope HA307-319 dérivé de la protéine hémaglutinine du virus de la grippe et présenté par HLA-DRB1*0401. En analysant des échantillons provenant de volontaires sains ayant reçus un vaccin contre la grippe, nous avons pu démontrer une expansion et une activation transitoires des lymphocytes T CD4 spécifiques pour le peptide HA307-319 après vaccination. De plus, les multimères pCMH II nous ont permis d'analyser plus en détails hétérogénéité des cellules T CD4 spécifiques pour le peptide HA307-319 présents dans le sang périphérique d'individus sains. Par la suite, notre but a été d'analyser les réponses des lymphocytes T CD4 spécifiques pour l'antigène Melan-A chez des patients atteints de mélanome métastatique. Nous avons tout d'abord démontré la présence de cellules T CD4 spécifiques pour l'épitope Melan-A51-73, présenté par HLA-DRBl*0401, qui avait déjà été préalablement décrit. Ensuite, nous avons décrit et caractérisé 2 nouveaux peptides issus de Melan-A qui sont présentés aux cellules T CD4 par différentes molécules du CMH de clans II. Des cellules spécifiques pour ces deux épitopes ont été trouvées chez 9/ 16 patients analysés. De plus, des multimères pCMH II chargés avec un des épitopes nous ont permis de détecter ex vivo des lymphocytes T CD4 spécifiques pour Melan-A dans le sang périphérique d'un patient atteint de mélanome. Mis ensemble, tous ces résultats suggèrent une potentielle utilisation des multimères pCMH II pour analyser en détail les lymphocytes T CD4 spécifiques d'antigènes définis. Cependant, le suivi ex vivo de telles cellules ne semble être possible que dans des cas bien particuliers. Néanmoins, les nouveaux épitopes issus de Melan-A et présentés par des molécules du CMH de classe II que nous avons décrits dans cette étude aideront à étudier plus en détails les lymphocytes T CD4 spécifiques pour Melan-A chez des patients atteints de mélanome, un sujet d'étude sur lequel peu de résultats sont à ce jour disponibles. Summary Attempts to develop cancer vaccines based on molecularly defined tumorassociated antigens were initiated more than 10 years ago. Apart from CTLmediated anti-tumor immunity, interests are. now focused on CD4 T cells that are central players of immune responses. The identification of MHC class-II-restricted epitopes from numerous tumor antigens together with the development of monitoring tools offers the opportunity to quantitatively and qualitatively study antigen-specific CD4 T lymphocytes in cancer patients and to induce both CTL and T helper responses in cancer patients. In this work, we first aimed at validating the use of peptide:MHC class II complex (pMHC II) multimers to quantitate the CD4 T cell response against the hemagglutinin-derived epitope HAso~-si9 from influenza virus presented by HLA-DRBl*0401. By analysing samples from healthy volunteers vaccinated with ananti-influenza vaccine, we could demonstrate a transient expansion and activation of HA-specific CD4 T cells after treatment. Moreover, pMHC II multimers helped us to study the heterogeneity of HAspecific CD4 T cells found in peripheral blood of healthy individuals. Then, we aimed to analyse Melan-A-specific CD4 T cell responses in metastatic melanoma patients. We first demonstrated the presence of CD4 T cells specific for the previously described Melan-A51_73 epitope presented by HLA-DRB 1 *0401 in peripheral blood of those patients. Second, we described and characterised 2 new Melan-A-derived peptides that are presented by different MHC II molecules to CD4 T cells. Specific cells for these epitopes were found in 9/ 16 rnelánoma patients analysed. In addition, pMHC II multimers loaded with one of the two epitopes allowed us to detect ex vivo Melan-A-specific CD4 T cells in peripheral blood of a melanoma patient. Together, these results suggest a potential use of pMHC II multimers in analysing in detail antigen-specific CD4 T cells. However, ex vivo monitoring of such cells will be possible only in particular conditions. Nevertheless, the new Melan-A-derived MHC II-restricted epitopes described here will help to study in more detail Melan-A-specific CD4 T cells in melanoma patients, a field where only scarce data are available.