Identification and modelling of human breast cancer subtypes

Résumé Le cancer du sein est le cancer le plus commun chez les femmes et est responsable de presque 30% de tous les nouveaux cas de cancer en Europe. On estime le nombre de décès liés au cancer du sein en Europe est à plus de 130.000 par an. Ces chiffres expliquent l'impact social considérable de cette maladie. Les objectifs de cette thèse étaient: (1) d'identifier les prédispositions et les mécanismes biologiques responsables de l'établissement des sous-types spécifiques de cancer du sein; (2) les valider dans un modèle ín vivo "humain-dans-souris"; et (3) de développer des traitements spécifiques à chaque sous-type de cancer du sein identifiés. Le premier objectif a été atteint par l'intermédiaire de l'analyse des données d'expression de gènes des tumeurs, produite dans notre laboratoire. Les données obtenues par puces à ADN ont été produites à partir de 49 biopsies des tumeurs du sein provenant des patientes participant dans l'essai clinique EORTC 10994/BIG00-01. Les données étaient très riches en information et m'ont permis de valider des données précédentes des autres études d'expression des gènes dans des tumeurs du sein. De plus, cette analyse m'a permis d'identifier un nouveau sous-type biologique de cancer du sein. Dans la première partie de la thèse, je décris I identification des tumeurs apocrines du sein par l'analyse des puces à ADN et les implications potentielles de cette découverte pour les applications cliniques. Le deuxième objectif a été atteint par l'établissement d'un modèle de cancer du sein humain, basé sur des cellules épithéliales mammaires humaines primaires (HMECs) dérivées de réductions mammaires. J'ai choisi d'adapter un système de culture des cellules en suspension basé sur des mammosphères précédemment décrit et pat décidé d'exprimer des gènes en utilisant des lentivirus. Dans la deuxième partie de ma thèse je décris l'établissement d'un système de culture cellulaire qui permet la transformation quantitative des HMECs. Par la suite, j'ai établi un modèle de xénogreffe dans les souris immunodéficientes NOD/SCID, qui permet de modéliser la maladie humaine chez la souris. Dans la troisième partie de ma thèse je décris et je discute les résultats que j'ai obtenus en établissant un modèle estrogène-dépendant de cancer du sein par transformation quantitative des HMECs avec des gènes définis, identifiés par analyse de données d'expression des gènes dans le cancer du sein. Les cellules transformées dans notre modèle étaient estrogène-dépendantes pour la croissance, diploïdes et génétiquement normales même après la culture cellulaire in vitro prolongée. Les cellules formaient des tumeurs dans notre modèle de xénogreffe et constituaient des métastases péritonéales disséminées et du foie. Afin d'atteindre le troisième objectif de ma thèse, j'ai défini et examiné des stratégies de traitement qui permettent réduire les tumeurs et les métastases. J'ai produit un modèle de cancer du sein génétiquement défini et positif pour le récepteur de l'estrogène qui permet de modéliser le cancer du sein estrogène-dépendant humain chez la souris. Ce modèle permet l'étude des mécanismes impliqués dans la formation des tumeurs et des métastases. Abstract Breast cancer is the most common cancer in women and accounts for nearly 30% of all new cancer cases in Europe. The number of deaths from breast cancer in Europe is estimated to be over 130,000 each year, implying the social impact of the disease. The goals of this thesis were first, to identify biological features and mechanisms --responsible for the establishment of specific breast cancer subtypes, second to validate them in a human-in-mouse in vivo model and third to develop specific treatments for identified breast cancer subtypes. The first objective was achieved via the analysis of tumour gene expression data produced in our lab. The microarray data were generated from 49 breast tumour biopsies that were collected from patients enrolled in the clinical trial EORTC 10994/BIG00-01. The data set was very rich in information and allowed me to validate data of previous breast cancer gene expression studies and to identify biological features of a novel breast cancer subtype. In the first part of the thesis I focus on the identification of molecular apacrine breast tumours by microarray analysis and the potential imptìcation of this finding for the clinics. The second objective was attained by the production of a human breast cancer model system based on primary human mammary epithelial cells {HMECs) derived from reduction mammoplasties. I have chosen to adopt a previously described suspension culture system based on mammospheres and expressed selected target genes using lentiviral expression constructs. In the second part of my thesis I mainly focus on the establishment of a cell culture system allowing for quantitative transformation of HMECs. I then established a xenograft model in immunodeficient NOD/SCID mice, allowing to model human disease in a mouse. In the third part of my thesis I describe and discuss the results that I obtained while establishing an oestrogen-dependent model of breast cancer by quantitative transformation of HMECs with defined genes identified after breast cancer gene expression data analysis. The transformed cells in our model are oestrogen-dependent for growth; remain diploid and genetically normal even after prolonged cell culture in vitro. The cells farm tumours and form disseminated peritoneal and liver metastases in our xenograft model. Along the lines of the third objective of my thesis I defined and tested treatment schemes allowing reducing tumours and metastases. I have generated a genetically defined model of oestrogen receptor alpha positive human breast cancer that allows to model human oestrogen-dependent breast cancer in a mouse and enables the study of mechanisms involved in tumorigenesis and metastasis.

"In vitro" reconstitution of the fragmentation of vacuoles

Résumé La fragmentation des membranes est un processus commun à beaucoup d'organelles dans une cellule. Les mitochondries, le noyau, le réticulum endoplasmique, les phagosomes, les peroxisomes, l'appareil de Golgi et les lysosomes (vacuoles chez la levure) se fragmentent en plusieurs copies en réponse à des sitmulis environnementaux, tels que des stresses, ou dans une situtation normale durant le cycle cellulaire, afin d' être transférer dans les cellules filles. La fragmentation des membranes est également observée pendant le processus d'endocytose, lors de la formation de vésicules endocytiques, mais également dans tout le traffic intracellulaire, lors de la genèse d'une vésicule de transport. Le processus de fragmentation est donc généralement important. La découverte en 1991 d'une dynamin-like GTPase comme protéine impliquée dans la fragmentation de la membrane plasmique durant l'endocytose a ouvert ce domaine de recherche. Dès lors des dynamines ont été découvertes sur la pluspart des organelles, ce qui suggère un processus de fragmentation des membranes commun à l'ensemble de la cellule. Cependant, l'ensemble des protéines impliquées ainsi que le mécanisme de la fragmentation reste encore à élucider. Mon projet de thèse était d'établir un test in vitro de fragmentation des vacuoles utile à la compréhension du mécanisme de ce processus. Le choix de ce système est judicieux pour plusieurs raisons; premièrement les vacuoles fragmentent naturellement durant le cycle cellulaire, deuxièment leur taille permet de visualiser facilement leur morphologie par simple microscopie optique, finalement elles peuvent être isolées en quantité intéressante avec un haut degré de pureté. In vivo, les vacuoles peuvent être facilement fragmentées par un stress osmotique. Un tel test permet d'identifier des protéines impliquées dans le mécanisme comme dans le criblage que j'ai effectué sur l'ensemble de la collection de délétions des gènes non-essentiels chez la levure. Cependant un test in vitro est ensuite indispensable pour jouer avec les protéines découvertes afin d'en élucider le mécanisme. Avec mon test in vitro, j'ai confirmé l'implication des protéines SNAREs dans la fragmentation et j'ai permis de comprendre la régulation de la quantité de vacuoles et de leur taille par le complexe TORC1 dans une situation de stress. 7 Résumé large public Les cellules de chaque organisme sont composées de différents compartiments appelés organelles. Chacun possède une fonction bien définie afin de permettre la vie et la croissance de la cellule. Ils sont entourés de membrane, qui joue le role de barrière spécifiquement perméable, afin de garder l'intégrité de chacun. Dans des conditions de croissance normale, les cellules prolifèrent. Durant la division cellulaire amenant à la formation d'une nouvelle cellule, chaque organelle doit se diviser afin de fournir l'ensemble des organelles à la cellule fille. La division de chaque organelle nécessite la fragmentation de la membrane les entourant. Des protéines dynamine-like GTPase ont été découvertes sur presque l'ensemble des organelles d'une cellule. Elles sont impliquées dans les processus de fragmentation des membranes. Dès lors l'idée d'un mécanisme commun est apparu. Cependant cette réaction, par sa complexité, ne peut pas impliquer une protéine unique. La découverte d'autres facteurs et la compréhension du mécanisme reste à faire. La première étape peut se faire par étude in vivo, c'est-à-dire avec des cellules entières, la deuxième étape, quant à elle, nécessite d'isoler les protéines impliquées et de jouer avec les différents paramètres, ce qui signifie donc un travail in vitro, séparé des cellules. Mon travail a constisté à établir un procédé expérimental in vitro pour étudier la fragmentation des membranes. Je travaille avec des vacuoles de levures pour étudier les réactions membranaires. Les vacuoles sont les plus grandes organelles présentes dans les levures. Elles sont impliquées principalement dans la digestion. Comme toute organelle, elles se fragmentent durant la division cellulaire. Le procédé expérimental comporte une première étape, l'isolation des vacuoles et, deuxièmement, l'incubation de celles-ci avec des composés essentiels à la réaction. En parallèle, j'ai mis en évidence, par un travail in vivo, de nouvelles protéines impliquées dans le processus de fragmentation des membranes. Ceci a été fait en réalisant un criblage par microscopie d'une collection de mutants. Parmi ces mutants, j'ai cherché ceux qui présentaient un défaut dans la fragmentation des vacuoles. Ces deux procédés expérimentaux, in vitro et in vivo, m'ont permis de découvrir de nouvelles protéines impliquées dans cette réaction, ainsi que de mettre en évidence un mécanisme utlilisé par la cellule pour réguler la fragmentation des vacuoles. 8 Summary Fragmentation of membranes is common for many organelles in a cell. Mitochondria, nucleus, endoplasmic reticulum, phagosomes, peroxisomes, Golgi and lysosomes (vacuoles in yeast) fragment into multiple copies in response to environmental stimuli, such as stresses, or in a normal situation during the cell cycle in order to be transferred into the daughter cell. Fragmentation of membrane occurs during endocytosis, at the latest step in endocytic vesicle formation, and also in intracellular trafficking, when traffic vesicles bud. This field of research was opened in 1991 when a dynamin-like GTPase was found to be involved in fragmentation of the plasma membrane during endocytosis. Since dynamin-like GTPases have been found on most organelles, similarities in their mechanisms of fragmentation might exist. However, many proteins involved in the mechanism of fragmentation remain unknown. My thesis project was to establish an in vitro assay for membrane fragmentation in order to create a tool to study the mechanism of this process. I chose vacuoles as a model organelle for several reasons: first of all, vacuoles fragment under physiological conditions during cell cycle, secondly their size makes their morphology easily visible under the light microscope, and finally vacuoles can be isolated in good amounts with relatively high degrees of purity. In vivo, vacuole fragmentation can be induced with an osmotic shock. Such a simple assay facilitates the identification of new proteins involved in the process. I used this tool to screen of the entire knockout collection of non-essential genes in Saccharomyces cerevisiae for mutants defective in vacuole fragmentation. The in vitro system will be useful to characterize the mutants and to study the mechanism of fragmentation in detail. I used my in vitro assay to confirm the involvement of vacuolar SNARE proteins in fragmentation of the organelle and to uncover that number and size of vacuoles in the cell is regulated by the TORC1 complex via selective stimulation of fragmentation activity.

La sécurité publique en Asie Mineure sous le Principat (Ier-IIIème s. ap. J.-C.) : institutions municipales et institutions impériales dans l'Orient romain

Présentation du plan La présente recherche se divise en cinq chapitres, plus l'introduction et la conclusion. Chaque chapitre s'ouvre par quelques mots de présentation dévoilant son contenu et expliquant son objectif, ainsi que la méthode adoptée. C'est pourquoi je ne ferai ici que d'exposer en termes généraux la façon dont s'articule le travail dans son ensemble. Les chapitres I et II sont consacrés à l'étude du contexte historique, juridique et social dans lequel s'exerce le maintien de l'ordre dans les provinces romaines d'Asie Mineure à l'époque impériale. Ils permettront de saisir quelles sont les spécificités structurelles des provinces anatoliennes dans le domaine de la sécurité publique, ainsi que d'affiner notre définition du maintien de l'ordre. Le chapitre I donnera un aperçu historique de la pénétration romaine en Anatolie depuis la période républicaine en insistant sur les changements que cela a entraînés pour cette région dans le domaine de la sécurité publique. Quant au chapitre II, il dévoilera les principaux facteurs sociaux venant ordinairement menacer l'ordre public dans les provinces anatoliennes. Ces deux premiers chapitres serviront de préambule à l'analyse proprement dite des institutions chargées de veiller à la sécurité publique en Anatolie sous le Principat, qui sera proposée dans les chapitres suivants. Les chapitres III et IV, qui sont les plus volumineux, forment le coeur de l'étude. J'y examine en parallèle les institutions municipales et les structures impériales et militaires actives dans le maintien de l'ordre présentes en Asie Mineure. Ces deux chapitres sont les plus techniques dans ce sens que chaque institution répertoriée y est décrite et examinée en détail, principalement sur la base de sources épigraphiques et juridiques. Le but est de déterminer l'origine, la diffusion, les compétences et l'utilité de chacune des structures retenues. Le chapitre V, pour sa part, est réservé à l'étude des conditions nécessaires à l'intervention directe de l'armée romaine dans les provinces anatoliennes. J'y observe aussi plusieurs cas limites où l'action des cités et celle de l'armée romaine s'entremêlent. Ce sera l'occasion de s'interroger sur l'existence d'une éventuelle répartition des tâches entre les cités et les autorités impériales en matière d'ordre public dans les provinces. Les chapitres II à V se terminent, en outre, par un bilan où les principales idées qui y ont été développées sont reprises sous la forme d'une conclusion intermédiaire. Dans la conclusion générale, j'analyse l'interaction des diverses institutions que j'aurai étudiées, dans l'intention de porter un jugement global sur la manière dont la sécurité publique est gérée dans les provinces d'Asie Mineure durant les trois premiers siècles de notre ère. Je chercherai également à savoir si la situation que j'aurai reconnue pour le cas des provinces anatoliennes est la règle pour le reste de l'empire ou si, au contraire, il s'agit d'une exception. J'en tirerai des observations générales sur le mode d'organisation et de gestion de l'empire sous le Principat, comme je me suis proposé de le faire. On trouvera à la fin du volume trois appendices historiques rassemblant de courtes digressions qui viennent s'adjoindre au corps central de l'étude; des appendices épigraphiques énumérant sous forme de listes un grand nombre des inscriptions utiles à l'élaboration de cette recherche; une bibliographie générale avec mention des abréviations employées; des illustrations et cartes; enfin, des index. Je terminerai par quelques avertissements d'ordre pratique nécessaires à la bonne consultation de ce livre. Pour ce qui est des renvois internes (lorsque je renvoie à un chapitre ou à une section de chapitre en général, et non à des pages précises), les numéros des chapitres sont exprimés en chiffres romains, tandis que les numéros des sous-chapitres sont exprimés en chiffres arabes: «Voir chap. V. 2.» signifie donc «voir section 2 du chapitre V». En ce qui concerne les inscriptions contenues dans les appendices épigraphiques, elles sont citées sous la forme d'une lettre suivie d'un numéro, par exemple «B 24»: la lettre renvoie aux listes des appendices épigraphiques (liste B dans cet exemple), le chiffre arabe au numéro de l'inscription dans la liste en question (inscription n° 24 de la liste B en l'occurrence). Quant aux notes de bas de page, la numérotation reprend au début de chaque chapitre. Sauf mention contraire, les dates s'entendent après Jésus-Christ et les traductions sont les miennes. Les abréviations utilisées pour les références aux sources primaires (sources littéraires, juridiques, épigraphiques, papyrologiques, numismatiques) et à la littérature secondaire sont développées dans la bibliographie. Enfin, je voudrais préciser que mon travail ne se veut pas une étude de géographie historique. Je ne me suis donc pas servi, en général, de cartes archéologiques, mais j'ai recouru le plus souvent, pour la localisation des villes et des régions que je mentionne, aux cartes du nouvel atlas Barrington, qui sont très commodes et tout à fait satisfaisantes pour une étude historique d'ensemble comme la mienne.

Cellular and molecular mechanisms underlying the effects of sleep loss on hippocampal synaptic plasticity

SUMMARY : The function of sleep for the organism is one of the most persistent and perplexing questions in biology. Current findings lead to the conclusion that sleep is primarily for the brain. In particular, a role for sleep in cognitive aspects of brain function is supported by behavioral evidence both in humans and animals. However, in spite of remarkable advancement in the understanding of the mechanisms underlying sleep generation and regulation, it has been proven difficult to determine the neurobiological mechanisms underlying the beneficial effect of sleep, and the detrimental impact of sleep loss, on learning and memory processes. In my thesis, I present results that lead to several critical steps forward in the link between sleep and cognitive function. My major result is the molecular identification and physiological analysis of a protein, the NR2A subunit of NMDA receptor (NMDAR), that confers sensitivity to sleep loss to the hippocampus, a brain structure classically involved in mnemonic processes. Specifically, I used a novel behavioral approach to achieve sleep deprivation in adult C57BL6/J mice, yet minimizing the impact of secondary factors associated with the procedure,.such as stress. By using in vitro electrophysiological analysis, I show, for the first time, that sleep loss dramatically affects bidirectional plasticity at CA3 to CA1 synapses in the hippocampus, a well established cellular model of learning and memory. 4-6 hours of sleep loss elevate the modification threshold for bidirectional synaptic plasticity (MT), thereby promoting long-term depression of CA3 to CA 1 synaptic strength after stimulation in the theta frequency range (5 Hz), and rendering long-term potentiation induction.more difficult. Remarkably, 3 hours of recovery sleep, after the deprivation, reset the MT at control values, thus re-establishing the normal proneness of synapses to undergo long-term plastic changes. At the molecular level, these functional changes are paralleled by a change in the NMDAR subunit composition. In particular, the expression of the NR2A subunit protein of NMDAR at CA3 to CA1 synapses is selectively and rapidly increased by sleep deprivation, whereas recovery sleep reset NR2A synaptic content to control levels. By using an array of genetic, pharmacological and computational approaches, I demonstrate here an obligatory role for NR2A-containing NMDARs in conveying the effect of sleep loss on CA3 to CAl MT. Moreover, I show that a genetic deletion of the NR2A subunit fully preserves hippocampal plasticity from the impact of sleep loss, whereas it does not alter sleepwake behavior and homeostatic response to sleep deprivation. As to the mechanism underlying the effects of the NR2A subunit on hippocampal synaptic plasticity, I show that the increased NR2A expression after sleep loss distinctly affects the contribution of synaptic and more slowly recruited NMDAR pools activated during plasticity-induction protocols. This study represents a major step forward in understanding the mechanistic basis underlying sleep's role for the brain. By showing that sleep and sleep loss affect neuronal plasticity by regulating the expression and function of a synaptic neurotransmitter receptor, I propose that an important aspect of sleep function could consist in maintaining and regulating protein redistribution and ion channel trafficking at central synapses. These findings provide a novel starting point for investigations into the connections between sleep and learning, and they may open novel ways for pharmacological control over hippocampal .function during periods of sleep restriction. RÉSUMÉ DU PROJET La fonction du sommeil pour l'organisme est une des questions les plus persistantes et difficiles dans la biologie. Les découvertes actuelles mènent à la conclusion que le sommeil est essentiel pour le cerveau. En particulier, le rôle du sommeil dans les aspects cognitifs est soutenu par des études comportementales tant chez les humains que chez les animaux. Cependant, malgré l'avancement remarquable dans la compréhension des mécanismes sous-tendant la génération et la régulation du sommeil, les mécanismes neurobiologiques qui pourraient expliquer l'effet favorable du sommeil sur l'apprentissage et la mémoire ne sont pas encore clairs. Dans ma thèse, je présente des résultats qui aident à clarifier le lien entre le sommeil et la fonction cognitive. Mon résultat le plus significatif est l'identification moléculaire et l'analyse physiologique d'une protéine, la sous-unité NR2A du récepteur NMDA, qui rend l'hippocampe sensible à la perte de sommeil. Dans cette étude, nous avons utilisé une nouvelle approche expérimentale qui nous a permis d'induire une privation de sommeil chez les souris C57BL6/J adultes, en minimisant l'impact de facteurs confondants comme, par exemple, le stress. En utilisant les techniques de l'électrophysiologie in vitro, j'ai démontré, pour la première fois, que la perte de sommeil est responsable d'affecter radicalement la plasticité bidirectionnelle au niveau des synapses CA3-CA1 de l'hippocampe. Cela correspond à un mécanisme cellulaire de l'apprentissage et de la mémoire bien établi. En particulier, 4-6 heures de privation de sommeil élèvent le seuil de modification pour la plasticité synaptique bidirectionnelle (SM). Comme conséquence, la dépression à long terme de la transmission synaptique est induite par la stimulation des fibres afférentes dans la bande de fréquences thêta (5 Hz), alors que la potentialisation à long terme devient plus difficile. D'autre part, 3 heures de sommeil de récupération sont suffisant pour rétablir le SM aux valeurs contrôles. Au niveau moléculaire, les changements de la plasticité synaptiques sont associés à une altération de la composition du récepteur NMDA. En particulier, l'expression synaptique de la protéine NR2A du récepteur NMDA est rapidement augmentée de manière sélective par la privation de sommeil, alors que le sommeil de récupération rétablit l'expression de la protéine au niveau contrôle. En utilisant des approches génétiques, pharmacologiques et computationnelles, j'ai démontré que les récepteurs NMDA qui expriment la sous-unité NR2A sont responsables de l'effet de la privation de sommeil sur le SM. De plus, nous avons prouvé qu'une délétion génétique de la sous-unité NR2A préserve complètement la plasticité synaptique hippocampale de l'impact de la perte de sommeil, alors que cette manipulation ne change pas les mécanismes de régulation homéostatique du sommeil. En ce qui concerne les mécanismes, j'ai .découvert que l'augmentation de l'expression de la sous-unité NR2A au niveau synaptique modifie les propriétés de la réponse du récepteur NMDA aux protocoles de stimulations utilisés pour induire la plasticité. Cette étude représente un pas en avant important dans la compréhension de la base mécaniste sous-tendant le rôle du sommeil pour le cerveau. En montrant que le sommeil et la perte de sommeil affectent la plasticité neuronale en régulant l'expression et la fonction d'un récepteur de la neurotransmission, je propose qu'un aspect important de la fonction du sommeil puisse être finalisé au règlement de la redistribution des protéines et du tracking des récepteurs aux synapses centraux. Ces découvertes fournissent un point de départ pour mieux comprendre les liens entre le sommeil et l'apprentissage, et d'ailleurs, ils peuvent ouvrir des voies pour des traitements pharmacologiques dans le .but de préserver la fonction hippocampale pendant les périodes de restriction de sommeil.

Effects of epigenetic regulatory elements on telomeric gene expression

Transgene expression in eukaryotic cells strongly depends on the locus of integration in the host genome and often results in limited transcription level because of unfavorable chromatin structure at the integration site. Epigenetic regulators are DNA sequences which are believed to act on the chromatin structure and may protect transgenes from this so-called position effect. Despite being extensively used to increase transgene expression, the mechanism of action of many of these elements remains largely unknown. Here we evaluated different epigenetic regulatory DNA elements for their ability to protect transgene transcription at telomeres, a defined chromatin environment associated to low or inconsistent expression caused by the Telomere Position Effect (TPE). For the assessment of the effects of epigenetic regulators at telomeres, a novel dual reporter system had to be designed. Telomeric integration of the newly-developed dual reporter system carrying different epigenetic regulators showed that MARs (Matrix Attachment Regions), a UCOE (Ubiquitous Chromatin-Opening Element) or the chicken cHS4 insulator have strong barrier activity which prevented TPE from spreading toward the centromere, resulting in stable and in some cases increased expression of a telomeric-distal reporter gene. In addition, MARs and STAR element 40 resulted in an increase of cells expressing the telomeric-proximal reporter gene, suggesting also an anti-silencing effect. Chromatin immunoprecipitation assays revealed that at telomeres MARs actively promote the deposition of euchromatic histone marks, especially acetylation of both histone H3 and H4, which might be involved in MARs' barrier and transcriptional activator activities. Differently, the chromatin in proximity of the UCOE element was depleted of several repressive chromatin marks, such as trimethylated lysine 9 and lysine 27 on histone H3 and trimethylated lysine 20 of histone H4, possibly favoring the preservation of an open chromatin structure at the integration site. We conclude that epigenetic regulatory elements that may be used to enhance and sustain transgene expression have all a specific epigenetic signature which might be at the basis of their mechanism of action, and that a combination of different classes of epigenetic regulators might be advantageous when high levels of protein expression are required. - L'expression des transgènes dans les cellules eucaryotes est fortement influencée par leur site d'intégration dans le génome. En effet, une structure chromatinienne défavorable au niveau du site d'intégration peut fortement limiter le degré d'expression d'un transgène. Il existe toutefois des séquences d'ADN qui, en agissant sur la structure de la chromatine, permettent de limiter cet effet de position et, par conséquent, de promouvoir l'expression soutenue d'un transgène. Ces éléments génomiques, connus comme régulateurs épigénétiques, sont largement utilisés dans plusieurs domaines où une expression élevée et soutenue est requise, malgré un mode de fonctionnement parfois méconnu. Dans cette étude, j'ai évalué la capacité de différents régulateurs épigénétiques à protéger la transcription de transgènes au niveau des télomères, régions chromatiniennes bien définies qui ont été associées à un fort effet de silençage, connu comme «effet de position télomérique». Pour cela, un nouveau système à deux gènes rapporteurs a été développé. Lorsque des MARs (Matrix Attachment Regions, séquences d'ADN pouvant s'associer à la matrice nucléaire), un UCOE (Ubiquitous Chromatin-Opening Element, élément pouvant ouvrir la chromatine) ou l'isolateur génétique cHS4 (dérivé du locus de la β-globine de poulet) sont placés entre les deux gènes rapporteurs, une forte activité barrière bloquant la propagation de la chromatine répressive télomérique est observée, résultant en un plus grand nombre de cellules exprimant le gène télomérique-distal. D'autre part, une augmentation du nombre de cellules exprimant le gène télomérique-proximal, observée en présence des éléments MAR et STAR 40 (Stabilizing Anti-Repressor element 40, un élément pouvant prévenir la répression génique), suggère aussi un faible effet anti-silençage pour ces éléments. Des expériences d'immunoprécipitation de la chromatine démontrent qu'au télomère, les MARs favorisent l'assemblage de marqueurs de la chromatine active, surtout l'acétylation des histones H3 et H4, qui pourraient être à la base de l'activité barrière et de celle d'activateur transcriptionel. Différemment, la chromatine à proximité de l'élément UCOE est particulièrement pauvre en marqueurs de la chromatine silencieuse, comme la trimethylation des lysines 9 et 27 de l'histone H3, ainsi que la trimethylation de la lysine 20 de l'histone H4. Cela suggère que UCOE pourrait préserver une structure chromatinienne ouverte au site d'intégration, favorisant l'expression des gènes à sa proximité. En conclusion, les régulateurs épigénétiques analysés lors de cette étude ont tous montré une signature épigénétique spécifique qui pourrait être à la base de leurs mécanismes de fonctionnement, suggérant aussi qu'une utilisation d'éléments épigénétiques de classe différente dans un même vecteur d'expression pourrait être avantageuse lorsque de hauts et soutenus niveaux d'expression sont nécessaires.

Phacomatoses et tumeurs génétiquement déterminées: la transition enfant-adulte [Phacomatosis and genetically determined tumors: the transition from childhood to adulthood]

Les phacomatoses regroupent des maladies du développement du neurectoderme, engendrant des manifestations cutanées ou du système nerveux central. Les symptômes de ces maladies peuvent affecter les individus atteints à différents moments de leur vie. Il s'agit de maladies, héréditaires ou congénitales, qui sont transmises de façon variable. Effectivement, certaines, telles que la neurofibromatose, la sclérose tubéreuse ou la maladie de von Hippel-Lindau sont autosomiques dominantes, alors que d'autres, telles que la maladie de Sturge-Weber sont sporadiques. Des transmissions autosomiques récessives liées à X ou des formes mosaïques existent également. Une revue de la littérature, comprenant les cinq phacomatoses les plus fréquemment vues par un neurochirurgien (neurofibromatose de type I et II, sclérose tubéreuse de Bourneville, maladie de Sturge-Weber-Krabbe, maladie de von Hippel-Lindau) a été effectuée en se centrant sur le diagnostic, la variabilité de la symptomatologie selon l'âge du patient et son traitement. Les cas de patients adultes et pédiatriques vus aux consultations de neurologie et neurochirurgie de l'hôpital de Lille (France) et Lausanne (Suisse), de 1961 à nos jours, ont été revus pour illustrer les différentes pathologies rencontrées, selon l'âge des patients atteints. Le phénotype de ces maladies se modifie avec l'âge, car les gènes incriminés sont des gènes impliqués dans la différentiation tissulaire et sont activés à des âges différents suivant les tissus. Le rôle du neurochirurgien sera variable selon l'âge et le syndrome du patient. Il importe de connaître les variations du phénotype de ces maladies avec l'âge ainsi que les conséquences à long terme des traitements pour proposer au patient un suivi neurochirurgical personnalisé. Phacomatoses, or neurocutaneous disorders, are a group of congenital and hereditary diseases characterized by developmental lesions of the neuroectoderm, leading to pathologies affecting the skin and the central nervous system. There is a wide range of pathologies affecting individuals at different moments of life. The genetics is variable: while neurofibromatosis 1 and 2, tuberous sclerosis and von Hippel-Lindau disease are all inherited as autosomal dominant traits, Sturge-Weber syndrome is sporadic. Other neurocutaneous disorders can be inherited as autosomal recessive traits (i.e., ataxia-telangiectasia), X-linked (i.e., incontinentia pigmenti) or explained by mosaicism (i.e., hypomelanosis of Ito, McCune-Albright syndrome). In this review, we discuss the major types of neurocutaneous disorders most frequently encountered by the neurosurgeon and followed beyond childhood. They include neurofibromatosis types 1 and 2, tuberous sclerosis, Sturge-Weber syndrome and von Hippel-Lindau disease. In each case, a review of the literature, including diagnosis, genetics and treatment will be presented. The lifespan of the disease with the implications for neurosurgeons will be emphasized. A review of cases, including both pediatric and adult patients, seen in neurosurgical practices in the Lille, France and Lausanne, Switzerland hospitals between 1961 and 2007 is presented to illustrate the pathologies seen in different age-groups. Because the genes mutated in most phacomatoses are involved in development and are activated following a timed schedule, the phenotype of these diseases evolves with age. The implication of the neurosurgeon varies depending on the patient's age and pathology. While neurosurgeons tend to see pediatric patients affected with neurofibromatosis type 1, tuberous sclerosis and Sturge-Weber syndrome, there will be a majority of adult patients with von Hippel-Lindau disease or neurofibromatosis type 2

The influence of learning on evolution: a mathematical framework.

The Baldwin effect can be observed if phenotypic learning influences the evolutionary fitness of individuals, which can in turn accelerate or decelerate evolutionary change. Evidence for both learning-induced acceleration and deceleration can be found in the literature. Although the results for both outcomes were supported by specific mathematical or simulation models, no general predictions have been achieved so far. Here we propose a general framework to predict whether evolution benefits from learning or not. It is formulated in terms of the gain function, which quantifies the proportional change of fitness due to learning depending on the genotype value. With an inductive proof we show that a positive gain-function derivative implies that learning accelerates evolution, and a negative one implies deceleration under the condition that the population is distributed on a monotonic part of the fitness landscape. We show that the gain-function framework explains the results of several specific simulation models. We also use the gain-function framework to shed some light on the results of a recent biological experiment with fruit flies.

Neuromotor performance of normally developing left-handed children and adolescents.

Neuromotor functioning - i.e., timed performance and quality of movements - was examined in 66 left-handed children and adolescents between 5 and 18.5 years by means of the Zurich Neuromotor Assessment. Quality of movements was assessed by the degree and the frequency of associated movements. Results were compared to normative data from 593 right-handers. The overall scores for timed motor performance were similar for left-handers and right-handers, while left-handers had more associated movements than right-handers with both sides. In agreement with previous studies in adults, we found that left-handed children were less lateralized than right-handers. They performed faster with their non-dominant side and slower with their dominant side. This finding was roughly independent of age, which may indicate that handedness does not reflect long-term effects of previous motor experience, but may be primarily attributed to genetic factors.

Gliotransmission in the hippocampus, mechanisms and interaction with synaptic functions

SUMMARYAstrocytes represent the largest cell population in the human brain. In addition to a well established role as metabolic support for neuronal activity, in the last years these cells have been found to accomplish other important and, sometimes, unexpected functions. The tight enwrapping of synapses by astrocytic processes and the predominant expression of glutamate uptake carriers in the astrocytic rather than neuronal plasma membranes brought to the definition of a critical involvement of astrocytes in the clearance of glutamate from synaptic junctions. Moreover, several publications showed that astrocytes are able to release chemical transmitters (gliotransmitters) suggesting their active implication in the control of synaptic functions. Among gliotransmitters, the best characterized is glutamate, which has been proposed to be released from astrocytes in a Ca2+ dependent manner via exocytosis of synaptic-like microvesicles.In my thesis I present results leading to substantial advancement of the understanding of the mechanisms by which astrocytes modulate synaptic activity in the hippocampus, notably at excitatory synapses on dentate granule cells. I show that tumor necrosis factor- alpha (TNFa), a molecule that is generally involved in immune system functions, critically controls astrocyte-to-synapse communication (gliotransmission) in the brain. With constitutive levels of TNFa present, activation of purinergic G protein-coupled receptors in astrocytes, called P2Y1 receptors, induces localized intracellular calcium ([Ca2+]j) elevation in astrocytic processes (measured by two-photon microscopy) followed by glutamate release and activation of pre-synaptic NMDA receptors resulting in synaptic potentiation. In preparations lacking TNFa, astrocytes respond with identical [Ca2+]i elevations but fail to induce neuromodulation. I find that TNFa specifically controls the glutamate release step of gliotransmission. Addition of very low (picomolar) TNFa concentrations to preparations lacking the cytokine, promptly reconstitutes both normal exocytosis in cultured astrocytes and gliotransmission in hippocampal slices. These data provide the first demonstration that gliotransmission and its synaptic effects are controlled not only by astrocyte [Ca2+]i elevations but also by permissive/homeostatic factors like TNFa.In addition, I find that higher and presumably pathological TNFa concentrations do not act just permissively but instead become direct and potent triggers of glutamate release from astrocytes, leading to a strong enhancement of excitatory synaptic activity. The TNFa action, like the one observed upon P2Y1R activation, is mediated by pre-synaptic NMDA receptors, but in this case the effect is long-lasting, and not reversible. Moreover, I report that a necessary molecular target for this action of TNFa is TNFR1, one of the two specific receptors for the cytokine, as I found that TNFa was unable to induce synaptic potentiation when applied in slices from TNFR1 knock-out (Tnfrlv") mice. I then created a double transgenic mouse model where TNFR1 is knocked out in all cells but can be re-expressed selectively in astrocytes and I report that activation of the receptors in these cells is sufficient to reestablish TNFa-dependent long-lasting potentiation of synaptic activity in the TNFR1 knock-out mice.I therefore discovered that TNFa is a primary molecule displaying both permissive and instructive roles on gliotransmission controlling synaptic functions. These reports might have profound implications for the understanding of both physiological and pathological processes associated to TNFa production, including inflammatory processes in the brain.RÉSUMÉLes astrocytes sont les cellules les plus abondantes du cerveau humain. Outre leur rôle bien établi dans le support métabolique de l'activité neuronale, d'autres fonctions importantes, et parfois inattendues de ces cellules ont été mises en lumière au cours de ces dernières années. Les astrocytes entourent étroitement les synapses de leurs fins processus qui expriment fortement les transporteurs du glutamate et permettent ainsi aux astrocytes de jouer un rôle critique dans l'élimination du glutamate de la fente synaptique. Néanmoins, les astrocytes semblent être capables de jouer un rôle plus intégratif en modulant l'activité synaptique, notamment par la libération de transmetteurs (gliotransmetteurs). Le gliotransmetteur le plus étudié est le glutamate qui est libéré par l'exocytose régulée de petites vésicules ressemblant aux vésicules synaptiques (SLMVs) via un mécanisme dépendant du calcium.Les résultats présentés dans cette thèse permettent une avancée significative dans la compréhension du mode de communication de ces cellules et de leur implication dans la transmission de l'information synaptique dans l'hippocampe, notamment des synapses excitatrices des cellules granulaires du gyrus dentelé. J'ai pu montrer que le « facteur de nécrose tumorale alpha » (TNFa), une cytokine communément associée au système immunitaire, est aussi fondamentale pour la communication entre astrocyte et synapse. Lorsqu'un niveau constitutif très bas de TNFa est présent, l'activation des récepteurs purinergiques P2Y1 (des récepteurs couplés à protéine G) produit une augmentation locale de calcium (mesurée en microscopie bi-photonique) dans l'astrocyte. Cette dernière déclenche ensuite une libération de glutamate par les astrocytes conduisant à l'activation de récepteurs NMDA présynaptiques et à une augmentation de l'activité synaptique. En revanche, dans la souris TNFa knock-out cette modulation de l'activité synaptique par les astrocytes n'est pas bien qu'ils présentent toujours une excitabilité calcique normale. Nous avons démontré que le TNFa contrôle spécifiquement l'exocytose régulée des SLMVs astrocytaires en permettant la fusion synchrone de ces vésicules et la libération de glutamate à destination des récepteurs neuronaux. Ainsi, nous avons, pour la première fois, prouvé que la modulation de l'activité synaptique par l'astrocyte nécessite, pour fonctionner correctement, des facteurs « permissifs » comme le TNFa, agissant sur le mode de sécrétion du glutamate astrocytaire.J'ai pu, en outre, démontrer que le TNFa, à des concentrations plus élevées (celles que l'on peut observer lors de conditions pathologiques) provoque une très forte augmentation de l'activité synaptique, agissant non plus comme simple facteur permissif mais bien comme déclencheur de la gliotransmission. Le TNFa provoque 1'activation des récepteurs NMD A pré-synaptiques (comme dans le cas des P2Y1R) mais son effet est à long terme et irréversible. J'ai découvert que le TNFa active le récepteur TNFR1, un des deux récepteurs spécifiques pour le TNFa. Ainsi, l'application de cette cytokine sur une tranche de cerveau de souris TNFR1 knock-out ne produit aucune modification de l'activité synaptique. Pour vérifier l'implication des astrocytes dans ce processus, j'ai ensuite mis au point un modèle animal doublement transgénique qui exprime le TNFR1 uniquement dans les astrocytes. Ce dernier m'a permis de prouver que l'activation des récepteurs TNFR1 astrocytaires est suffisante pour induire une augmentation de l'activité synaptique de manière durable.Nous avons donc découvert que le TNFa possède un double rôle, à la fois un rôle permissif et actif, dans le contrôle de la gliotransmission et, par conséquent, dans la modulation de l'activité synaptique. Cette découverte peut potentiellement être d'une extrême importance pour la compréhension des mécanismes physiologiques et pathologiques associés à la production du TNFa, en particulier lors de conditions inflammatoires.RÉSUMÉ GRAND PUBLICLes astrocytes représentent la population la plus nombreuse de cellules dans le cerveau humain. On sait, néanmoins, très peu de choses sur leurs fonctions. Pendant très longtemps, les astrocytes ont uniquement été considérés comme la colle du cerveau, un substrat inerte permettant seulement de lier les cellules neuronales entre elles. Il n'y a que depuis peu que l'on a découvert de nouvelles implications de ces cellules dans le fonctionnement cérébral, comme, entre autres, une fonction de support métabolique de l'activité neuronale et un rôle dans la modulation de la neurotransmission. C'est ce dernier aspect qui fait l'objet de mon projet de thèse.Nous avons découvert que l'activité des synapses (régions qui permettent la communication d'un neurone à un autre) qui peut être potentialisée par la libération du glutamate par les astrocytes, ne peut l'être que dans des conditions astrocytaires très particulières. Nous avons, en particulier, identifié une molécule, le facteur de nécrose tumorale alpha (TNFa) qui joue un rôle critique dans cette libération de glutamate astrocytaire.Le TNFa est surtout connu pour son rôle dans le système immunitaire et le fait qu'il est massivement libéré lors de processus inflammatoires. Nous avons découvert qu'en concentration minime, correspondant à sa concentration basale, le TNFa peut néanmoins exercer un rôle indispensable en permettant la communication entre l'astrocyte et le neurone. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus physiologique qui permet d'intégrer la communication astrocyte/neurone au fonctionnement général du cerveau. Par ailleurs, nous avons également démontré qu'en quantité plus importante, le TNFa change son mode de fonctionnement et agit comme un stimulateur direct de la libération de glutamate par l'astrocyte et induit une activation persistante de l'activité synaptique. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus pathologique.Nous sommes également arrivés à ces conclusions grâce à la mise en place d'une nouvelle souche de souris doublement transgéniques dans lesquelles seuls les astrocytes (etnon les neurones ou les autres cellules cérébrales) sont capables d'être activés par le TNFa.

Arythmies supraventriculaires chez les patients adultes porteurs d'une cardiopathie congénitale

Mon projet de recherche s'est articulé autour des arythmies supraventriculaires chez les patients adultes porteurs d'une cardiopathie congénitale (Adults with Congenital Heart Disease ou ACHD). Grâce aux progrès de la chirurgie cardiaque et de la cardiologie, la survie à l'âge adulte des enfants nés avec une malformation cardiaque est excellente et la population des ACHD ne cesse de croître, tout en vieillissant. Les arythmies cardiaques sont une complication à long terme bien connue chez ces patients et une des principales causes de mortalité et de morbidité. Mon travail de recherche comporte une perspective épidémiologique avec une étude de population et une perspective anatomique, avec une étude d'imagerie cardiaque par échographie. 1. Étude épidémiologique : Arythmies auriculaires (AA) chez les patients porteurs d'une cardiopathie congénitale. Sous le titre anglais Atrial Arrhythmias in Adults with Congenital Heart Disease, cette étude a été publiée dans le journal américain Circulation. A travers les résultats de cette étude, j'ai démontré, pour la première fois dans une aussi grande population, que les AA étaient fréquentes chez les patients ACHD, que le risque à long-terme pour ces patients de développer des AA était élevé, et que le développement d'AA avait un impact négatif en termes de mortalité, de morbidité et d'intervention. 2. Étude anatomique : Les paramètres échographiques associés à la fibrillation auriculaire (FA) chez les patients adultes porteurs d'une cardiopathie congénitale. Sous le titre anglais Mirror image atrial dilatation in Adult Patients with Atrial Fibrillation and Congenital Heart Disease, cette étude a été publiée dans le journal américain International Journal of Cardiology, j'ai démontré dans cette étude que les patients ACHD avec une pathologie isolée du coeur gauche présentaient une dilatation progressive de l'oreillette gauche (OG) lorsqu'ils développaient de la FA. Chez les patients avec une pathologie isolée du coeur droit, j'ai décrit une image « miroir » : l'oreillette droite (OD) était toujours plus grande que l'OG βί présentait une dilatation progressive lors de FA. Ces résultats soutiennent l'hypothèse que la FA pourrait provenir de l'OD dilatée chez les patients ACHD avec une pathologie du coeur droit et ouvrent de nouvelles perspectives diagnostiques et thérapeutiques chez ces patients:

New anthropometry-based age- and sex-specific reference values for urinary 24-hour creatinine excretion based on the adult Swiss population (epublish)

BACKGROUND: Urinary creatinine excretion is used as a marker of completeness of timed urine collections, which are a keystone of several metabolic evaluations in clinical investigations and epidemiological surveys. METHODS: We used data from two independent Swiss cross-sectional population-based studies with standardised 24-hour urinary collection and measured anthropometric variables. Only data from adults of European descent, with estimated glomerular filtration rate (eGFR) ≥60 ml/min/1.73 m2 and reported completeness of the urinary collection were retained. A linear regression model was developed to predict centiles of the 24-hour urinary creatinine excretion in 1,137 participants from the Swiss Survey on Salt and validated in 994 participants from the Swiss Kidney Project on Genes in Hypertension. RESULTS: The mean urinary creatinine excretion was 193 ± 41 μmol/kg/24 hours in men and 151 ± 38 μmol/kg/24 hours in women in the Swiss Survey on Salt. The values were inversely correlated with age and body mass index (BMI). CONCLUSIONS: We propose a validated prediction equation for 24-hour urinary creatinine excretion in the general European population, based on readily available variables such as age, sex and BMI, and a few derived normograms to ease its clinical application. This should help healthcare providers to interpret the completeness of a 24-hour urine collection in daily clinical practice and in epidemiological population studies.

Disegni come documento e disegni come monumento : Giovanni Ciampini, Sebastiano Resta e la fortuna del Medioevo artistico nella Roma di Bellori

La tesi di Dottorato, condotta in accordo di colutela tra l'Università di Roma Tor Vergata e l'UNIL di Losanna, ha affrontato l'analisi di un gruppo di undici disegni custodia presso la National Gallery of Scotland di Edimburgo, copie di alcuni dei più significativi mosaici medioevali delle chiese di Roma, ricostruendone la genesi, quindi le vicende legate alla committenza, e il percorso collezionistico. I disegni scozzesi, oggetto di un importante articolo di Julian Gardner pubblicato sul Burlington Magatine nel 1973, furono commissionati intorno agli anni Settanta del XVII secolo dall'antiquario romano Giovanni Giustino Ciampini (1633-1698) in connessione alla stesura della sua opera di erudizione più avvertita e famosa: i Vetera Mommenta in' quibus praecipue Musiva Opera, sacrarum, profanan,mque, Aedìum structura, ac nonnulli antiqui ritus dissertationibus iconìbusque illustrantur. La composizione dei Vetera Mommenta - un'opera riccamente illustrata che nasce per rispondere alle esigenze della ideologia della Chiesa di Roma in un momento di rinnovata crisi del sistema - impone a Ciampini di porsi da un lato nella prospettiva della più alta tradizione antiquaria cinque e seicentesca, di cui recupera i metodi di lettura e di analisi applicati allo studio delle monete e dei monumenti antichi interpretati quali prove per la ricostruzione storica, e dall'altra, come è emerso dalle mie ricerche, lo pone immediatamente in contatto con gli avamposti del più moderno metodo di indagine storica e filologica applicato alle fonti e ai documenti della storia ecclesiastica, inaugurato dall'ambiente bollandista e inaurino. I monumenti paleocristiani e medioevali assumono in quest'ottica lo status di 'fatti incontestabili', le fonti primarie attraverso le quali Ciampini ricuce le tappe salienti della storia della Chiesa, da Costantino fino al XV secolo. Nel 1700 le copie di Edimburgo arrivano nelle mani del mercante e connoisseur milanese il padre oratoriano Sebastiano Resta (1635-1714), di stanza a Roma presso la Chiesa Nuova della Vallicella dal 1660, che decide di rilegarle tutte insieme in un volume da donare al suo maggiore acquirente e patrono, il vescovo di Arezzo Giovanni Matteo Marchetti. Come spiega Resta in alcune sue lettere, il presente avrebbe dovuto costituire insieme una curiosità ed offrire un confronto: infatti «le copie delli mosaici di Roma che erano di Monsignor Ciampini» - afferma Resta - avrebbero mostrato al Marchetti «le maniere di que' tempi gottici, barbari e divoti de cristiani e [fatto] spiccare i secoli seguenti». Questa indagine infatti ha fatto riemergere aspetti della precoce attenzione di Sebastiano Resta per l'arte dei "secoli bassi", mai debitamente affrontata dagli studi. E' infatti sulla scorta di una profonda conoscenza dei testi della letteratura artistica, e in connessione alla esplosione vivacissima della controversia Malvasia/Baldinucci sul primato del risorgere delle arti in Toscana, che Sebastiano a partire dagli anni Ottanta del Seicento comincia a meditare sul Medioevo artistico con il fine di spiegare l'evoluzione del linguaggio tecnico e formale che ha condotto alla perfezione dell'atte moderna. In questa prospettiva ι disegni del XIV e XV secolo che egli riuscì ad intercettare sul mercato valgono quali testimonianze delle maniere degli artefici più antichi e sono imbastiti nei molteplici album che Resta compone nel rispetto della successione cronologica dei presunti autori, e ordinati in base alle scuole pittoriche di pertinenza. La tesi permette perciò di descrivere nelle loro diverse specificità: da un lato il modo dei conoscitori come Resta, interessati nell'opera al dato stilistico, con immediate e sensibili ricadute sul mercato, e disposti anche con passione a ricercare i documenti relativi all'opera in quanto pressati dall'urgenza di collocarla nella sequenza cronologica dello sviluppo del linguaggio formale e tecnico; dall'altro gli antiquari come Ciampini e come Bianchini, per i quali le opere del passato valgono come prove irrefutabili della ricostruzione storica, e divengono quindi esse stesse, anche nel loro statuto di copia, documento della stona. Sono due approcci che si manifestano nel Seicento, e talvolta in una medesima persona, come mostra il caso anche per questo cruciale di Giovati Pietro Bellori, ma che hanno radici cinquecentesche, di cui i protagonisti di queste vicende sono ben consapevoli: e se dietro Resta c'è palesemente Vasari, dietro Ciampini e soprattutto Bianchini c'è la più alta tradizione antiquaria del XVI secolo, da Antonio Augustin a Fulvio Orsini.

Role of myosin V in actin cable organization in fission yeast

Functional specialization is tightly linked to the ability of eukaryotic cells to acquire a particular shape. Cell morphogenesis, in turn, relies on the capacity to establish and maintain cell "polarity", which is achieved by orienting the trafficking of signaling molecules and organelles towards specific cellular locations and/or membrane domains. The "oriented" transport is based upon cytoskeletal polymers, microtubules and actin filaments, which serve as tracks for molecular motors. These latter generate motion that is translated either into pulling forces or directed transport. Fission yeast, a rod-like unicellular eukaryote, shapes itself by restricting growth at cell tips through the concerted activity of microtubules and actin cables. Microtubules, which assemble into 2-6 bundles and run parallel to the long axis of the cell, serve to orient growth to the tips. Growth is supported by the actin cytoskeleton, which provides tracks, the cables, for motor-based transport of secretory vesicles. The molecular motors, which bind cargos and deliver them to the tips along cables, are also known as type V myosins (hereafter indicated as myosin V). How the bundles of parallel actin filaments, i.e. the cables, extend from the tips through the cell and whether they serve any other purpose, besides providing tracks, is poorly understood. It is also unclear how the crosstalk between the two cytoskeletal systems is achieved. These are the basic questions I addressed during my PhD. The first part of the thesis work (Chapter two) suggests that the sole function of actin cables in polarized growth is to serve as tracks for motors. The data indicate that cells may have evolved two cytoskeletal systems to provide robustness to the polarization process but in principle a unique cytoskeleton might have been able to direct and support polarized growth. How actin cables are organized within the cell to optimize cargo transport is addressed later on (Chapter three). The major finding, based on the actin cable defect of cells lacking myosin Vs, is that actin filaments self-organize through the activity of the transport motors. In fact, by delivering cargos to cell tips and exerting physical pulling forces on actin filaments, Myosin Vs contribute not only to polarize cargo transport but also actin tracks. Among the cargos transported by Myosin V, which may be relevant to its function in organizing cables, there is likely the endoplasmic reticulum (ER). Actin cables, which run parallel to cortical ER, may serve as tracks for Myosin V. Myosin V-driven displacement, in turn, may account for the dynamic expansion and organization of ER during polarized growth as suggested in Chapter four. The last part of the work (Chapter five) highlights the existence of a crosstalk between actin and microtubules. In absence of myosin V, indeed, microtubules contribute to actin cable organization, likely playing a scaffolding/tethering function. Whether or not the kinesin 1, Klp3, plays any role in such process has to be demonstrated. In conclusion the work proposes a novel role for myosin Vs in actin organization, besides its transport function, and provides molecular tools to further dissect the role of this type of myosin in fission yeast. - La spécialisation fonctionnelle est étroitement connectée à la capacité des cellules eucaryotes d'acquérir une forme particulière. La morphogenèse cellulaire à son tour, est basée sur la capacité d'établir et de maintenir la polarité cellulaire, polarité réalisée en orientant le trafic des molécules signales et des organelles vers des zones cellulaires spécifiques. Ce transport directionnel dépend des polymères du cytosquelette, microtubules et microfilaments, qui servent comme des voies pour les moteurs moléculaires. Ces derniers engendrent du mouvement, traduit soit en force de traction soit en transport directionnel. La levure fissipare, un eucaryote unicellulaire en forme de bâtonnet, acquière sa forme en limitant sa croissance aux extrémités par l'action concertée des microtubules et de l'actine. Les microtubules, qui s'assemblent de façon antiparallèle et parcourent la cellule parallèlement à l'axe longitudinal, servent à orienter la croissance aux extrémités. Cette croissance est permise par le cytosquelette d'actine, fournissant des voies, les câbles, pour le transport actif des vésicules de sécrétion. Les moteurs moléculaires, responsables de ce transport actif sont aussi appelés myosines de type V (par la suite appelés myosines V). La manière dont ces câbles s'étendent depuis l'extrémité jusqu'à l'intérieur de la cellule est peu connue. De plus, on ignore également si ces câbles présentent une fonction autre que le transport. L'interaction entre les deux cytosquelettes est également obscure. Ce sont ces questions de base auxquelles j'ai tenté de répondre lors de ma thèse. La première partie de cette thèse (chapitre II) suggère que les câbles d'actine, pendant la croissance polarisée, fonctionnent uniquement comme des voies pour les moteurs moléculaires. Les données indiqueraient que les cellules ont fait évoluer deux systèmes de cytosquelette pour assurer plus de robustesse au processus de polarisation, bien que, comme nous le verrons, un système unique est suffisant. Au chapitre III, nous verrons comment les câbles d'actine sont organisés à l'intérieur de la cellule afin d'optimiser le transport des cargo. La découverte majeure, réalisée en observant des cellules dont la myosine V fait défaut, est que ces filaments d'actine s'auto organisent grâce au passage des moteurs moléculaires le long de ces voies. En réalité, en délivrant les cargos aux extrémités de la cellule et en exerçant des forces de traction sur les câbles, les myosines V contribuent non seulement à polariser le transport mais également à polariser les voies elles mêmes. Nous verrons également au chapitre IV, que parmi les cargos importants pour l'organisation des câbles, il y aurait le réticulum endoplasmique (RE). En effet, les câbles d'actine, qui s'étalent parallèlement au RE cortical, pourraient servir comme voie pour la myosine V. Cette dernière en retour pourrait être responsable de l'expansion dynamique et de l'organisation du RE pendant la croissance polarisée.

Evolution of Y chromosomes : lessons from mammals and amphibians

RÉSUMÉ : Le sexe des individus peut être déterminé par l'environnement ou la génétique. Lorsque la détermination du sexe est génétique, il y a dans le génome, la présence de chromosomes spécifiques qui détermineront le sexe. Dans cette thèse, j'ai étudié l'évolution des chromosomes sexuels et dans quel contexte des marqueurs sur ces chromosomes peuvent être utilisés. Pour explorer la formation du chromosome Y, nous avons étudié les caractéristiques des chromosomes sexuels chez la rainette verte, Hyla arborea. Dans un premier temps, nous avons utilisé un marqueur situé sur les chromosomes sexuels X et Y chez plusieurs espèces appartenant au groupe de la rainette verte. Cela nous a permis de révéler chez toutes ces espèces une hétérogamétie mâle. Dans un deuxième temps, nous avons tiré profit de deux autres marqueurs situés sur les chromosomes sexuels pour montrer que la recombinaison est supprimée chez les mâles mais pas chez les femelles. Pour expliquer la réduction de la variabilité sur le chromosome Y, il n'est pas nécessaire d'invoquer le balayage sélectif ou la sélection d'arrière-plan : le nombre de copies plus petit du chromosome Y dans le génome et l'absence de recombinaison suffisent à l'expliquer. Nous avons également analysé plus en détail la suppression de la recombinaison chez les mâles de H. arborea. Les modèles classiques de l'évolution des chromosomes sexuels supposent que la taille de la région non-recombinante augmente progressivement pendant l'évolution du chromosome Y, due à l'accumulation de changements structuraux. Dans cette étude, nous montrons un modèle différent, à savoir que la recombinaison est supprimée ou diminuée non seulement sur les chromosomes sexuels mais aussi sur les autosomes chez les mâles, dû à l'action de modificateurs généraux. En utilisant des marqueurs localisés sur le chromosome Y, ainsi que sur l'ADN mitochondrial et le chromosome X, nous avons étudié l'histoire évolutive de la musaraigne musette, Crocidura russula. Cette étude illustre que les analyses génétiques avec plusieurs types de marqueurs génétiques peuvent faciliter l'interprétation de l'histoire évolutive des espèces, mais que l'utilisation des marqueurs sur les chromosomes X et Y pour des études phylogéographiques est limitée par le peu de polymorphisme observé sur ces deux types de marqueurs. Le même jeu de données combiné avec des simulations a été employé pour comprendre les facteurs responsables de la faible variabilité sur le chromosome Y qui peut être expliqué, dans notre étude, par la démographie et les traits d'histoire de vie de C. russula. SUMMARY The sex of an individual is determined either by its environment or its genetics. Genetic sex determination relies on the presence of specific chromosomes that will determine the sex of their bearer. In this thesis, I studied the evolution of the sex chromosomes and the context in which markers on this type of chromosomes can be used. To explore the evolution of a Y chromosome, we studied the nascent sex chromosomes in the European tree frog Hyla arborea. First; we amplified a sex specific marker in several related species of European tree frog and found a homogeneous pattern of male heterogamety. Secondly, we used two additional sex-specific markers to show that recombination is suppressed in males but not in females. There is, therefore, no need to invoke background selection or selective sweeps to explain the reduced genetic variability on the Y chromosome, because the lower number of copies of the Y chromosomes per breeding pair and the absence of recombination are sufficient. To further analyze the suppression of recombination in male European. tree frogs, we constructed a microsatellite linkage map for this species. Classical models of sex-chromosome evolution assume that the non-recombining region expands progressively during the long-term evolution of the Y chromosome, owing to the accumulation of structural changes. Here we show a strikingly different pattern: recombination is suppressed or depressed both on sex chromosomes and autosomes in the heterogametic sex, presumably due to the action of general modifiers. We investigated the evolutionary history of the greater white-toothed shrew, Crocidura russula, using markers on both sex chromosomes and mtDNA. This study illustrates that multilocus genetic analyses facilitates the interpretation of a species' evolutionary history. It also demonstrates that phylogeographic inferences from X and Y chromosomal markers are restricted by the low levels of observed polymorphism. Combining this genetic study with simulations, we determined that the demography and the life-history traits of this species can alone be responsible for the low Y diversity. In conclusion, this thesis shows that sex chromosomes, in combination with autosomes or mtDNA, are necessary to understand the evolution of sex chromosomes and to precisely infer the population history of a species.