Role of the c-Jun N-terminal Kinase signaling in pancreatic β-cells

L'insuline est une hormone qui diminue la concentration de sucre dans le sang et qui est produite par la cellule β du pancréas. Un défaut de production de cette hormone est une des causes principales du diabète. Cette perte de production d'insuline est la conséquence à la fois, de la réduction du nombre de cellules β et du mauvais fonctionnement des cellules β restantes. L'inflammation, en activant la voie de signalisation «c-Jun N-terminal Kinase» (JNK) contribue au déclin de ces cellules. Cette voie de signalisation est activée par des protéines telles que des kinases qui reçoivent le signal de stress. Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à étudier le rôle de «Dual leucine zipper bearing kinase» (DLK) comme protéine capable de relayer le stress inflammatoire vers l'activation de la voie JNK dans les cellules β-pancréatiques. Nous montrons que DLK est présente dans les cellules β-pancréatiques et qu'elle agit effectivement comme un activateur de la voie de signalisation de JNK. En outre, DLK joue un rôle clé dans le contrôle de l'expression de l'insuline, de la sécrétion de l'insuline en réponse au glucose et au maintien de la survie des cellules β. Si l'expression de cette protéine diminue, la cellule produit moins d'insuline et sera plus sensible à la mort en réponse au stress inflammatoire. A l'inverse si l'expression de DLK est augmentée, la cellule β produit et secrète plus d'insuline. Des variations de l'expression de DLK sont par ailleurs, associées à l'état de santé de la cellule β. Chez la ratte en gestation ou la souris obèse, dans lesquelles la cellule β produit plus d'insuline, l'expression de DLK est augmentée. En revanche dans les cellules β des patients diabétiques, l'expression de DLK est diminuée par rapport aux cellules non malades. En résumé, DLK est nécessaire pour le bon fonctionnement de la cellule β-pancréatique et son expression corrèle avec le degré de santé des cellules, faisant que cette protéine pourrait être une cible thérapeutique potentiel. Les cellules β-pancréatiques ont la capacité de réguler la sécrétion d'insuline en s'adaptant précisément au stimulus et à la glycémie. La fonction de la cellule β est cruciale dans l'homéostasie du glucose puisque sa dysfonction et sa mort mènent au développement des diabètes de type 1 et 2. De nombreuses études suggèrent que l'inflammation pourrait avoir un rôle dans la dysfonction et la destruction de ces cellules dans le diabète de type 2. L'excès chronique de cytokines proinflammatoires accélère le dysfonctionnement de la cellule β pancréatique par un mécanisme qui implique la voie de signalisation «c-Jun N-terminal Kinase» (JNK). L'activation de cette voie est organisée par des protéines d'échafaudages. Elle se fait par trois étapes successives de phosphorylation impliquant une «Mitogen Activated Protein Kinase Kinase Kinase» (MAP3K), une MAP2K et JNK. Dans ce travail de thèse nous montrons l'expression abondante et spécifique de la MAP3K «Dual Leucine Zipper Bearing Kinase» (DLK) dans les cellules β pancréatiques. Cela est la conséquence de l'absence du répresseur transcriptionnel «Repressor Element 1 Silencing Transcription». Nous montrons également que DLK régule l'activation de JNK et qu'il s'avère nécessaire pour la fonction et la survie de la cellule β pancréatique par un mécanisme impliquant le facteur de transcription PDX-1. L'invalidation de l'expression de DLK diminue l'expression de l'insuline et potentialise l'apoptose induite par des cytokines proinflammatoires. A l'inverse, la surexpression de DLK augmente l'expression et la sécrétion d'insuline induites par le glucose. Par conséquent des niveaux d'expression appropriés de DLK sont déterminants pour la fonction et la survie de la cellule β pancréatique. L'obésité et la grossesse sont caractérisées par une hyperinsulinémie qui résulte d'une augmentation de la production et de la sécrétion de l'insuline. L'expression de DLK est augmentée dans des îlots de rattes gestantes et des souris obèses comparés à leurs contrôles respectifs. A l'inverse, dans des sujets diabétiques, l'expression de DLK est diminuée. Ensemble ces résultats montrent l'importance de DLK dans l'adaptation des îlots par un mécanisme qui pourrait impliquer la voie de signalisation de JNK. Des défauts dans cette voie régulée par DLK pourraient contribuer au dysfonctionnement et la mort de la cellule β pancréatique et par conséquent au développement du diabète. L'étude détaillée du mécanisme par lequel DLK active la voie de signalisation JNK et régule la fonction de la cellule β pancréatique pourrait ouvrir la voie des nouvelles thérapies ciblant l'amélioration de la fonction de la cellule β dans le diabète. - Pancreatic β-cells are evidently plastic in their ability to regulate insulin secretion. The quantity of insulin released by these cells varies according to the stimulus, and the prevailing glucose concentration, β-cell function is pivotal in glucose homeostasis, as their dysfunction, and death can lead to development of type 1 and type 2 diabetes. There are numerous reports so far underlying the role of inflammation in dysfunction, and destruction of β-cells, in both type 1 and type 2 diabetes. Chronic excess of pro¬inflammatory cytokines promotes a β-cell decline, via induction of the c-Jun N-terminal Kinase (JNK) pathway. The activation of the JNK pathway is organized by a scaffold protein-mediated module in which, a three-step phosphorylation cascade occurs. The latter includes, Mitogen activated protein kinase kinase kinase (MAP3K), MAP2K and JNK. In this thesis, we unveil that the MAP3K Dual Leucine Zipper Bearing Kinase (DLK) is selectively, and highly expressed in pancreatic β-cells, as the result from the absence of the transcriptional repressor named, Repressor Element 1 Silencing Transcription (REST). We show that DLK regulates activation of JNK, and is required for β-cell function and survival by modulating the PDX-1 transcription factor. Silencing of DLK expression diminishes insulin expression, and potentiated cytokine-mediated apoptosis. Conversely, overexpression of DLK increased insulin expression, and glucose-induced insulin secretion. Therefore, an appropriate level of DLK is critical for β-cell function and survival. Obesity and pregnancy are characterized by hyperinsulinemia resulting from an increased production and secretion of insulin. In isolated islets of pregnant rats, and obese mice, the expression of DLK was elevated when compared to their respective controls. However, decreased expression of DLK was observed in islets of individuals with diabetes. Taken together, we highlight the importance of DLK in islet adaptation, and describe a mechanism that may involve the JNK signaling. Deficiency in the JNK pathway regulated by DLK may contribute to β-cell failure and death, and thereby development of diabetes. Unraveling the mechanism whereby DLK activates the JNK pathway, and β-cell function, may pave the way for the design of novel therapies, aiming to improve β-cell function and survival in diabetes in general.

Chemical genetic analysis of cdc2p : new insights into the regulation of cytokinesis in "Schizosaccharomyces pombe"

RÉSUMÉ La protéine kinase cyciine-cdc2p (Cdk) joue un rôle fondamental dans la progression du cycle cellulaire dans la levure de fission Schizosaccharomyces pombe. Nous avons étudié le rôle de cdc2p dans la régulation de la cascade de septation ou SIN (septation initiation network) en mitose et en méiose. Le SIN contrôle l'initiation de la cytokinèse à la fin de la mitose, et est supposé être négativement régulé par cdc2p. Nous avons mutagénéisé le site actif de cdc2p afin qu'il puisse lier un analogue de l'ATP (PP1) qui agit comme inhibiteur. Cet analogue ne peut pas lier la kinase de type sauvage. Cette approche dite «chemical genetics» permet une meilleure résolution temporelle comparée à l'approche classique utilisant les mutants sensibles à une température élevée. Nous avons montré que ce mutant cdc2-as (analogue sensitive) est fonctionnel et que, in vitro, l'activité kinase est inhibée en présence de l'analogue. Les cellules portant cette mutation, contrairement aux cellules de type sauvage s'arrêtent de manière irréversible soit en G2 soit en G1 et G2, suivant la concentration de l'inhibiteur. L'inactivation de cdc2p-as dans des cellules arrêtées en métaphase conduit au recrutement asymétrique des protéines du SIN sur le pôle du fuseau mitotique et au recrutement des composants du SIN, ainsi que de la ß-(1,3)glucan synthase à l'anneau contractile. De plus, nos résultats montrent que l'orthologue de la phosphatase cdc14p dans S. pombe, fip1p/clp1p, joue un rôle dans la régulation de la localisation des protéines du SIN suite à l'inactivation de cdc2p. Finalement, l'activité de cdc2p est requise pour maintenir la polo-like kinase plo1p sur les pôles du fuseau mitotique dans les premiers stages de la mitose. C'est pourquoi nous concluons que l'inactivation de cdc2p est suffisante pour activer le SIN et promouvoir la cytokinèse. Dans une étude séparée, nous avons caractérisé des potentiellement nouveaux composants ou régulateurs du SIN qui ont été isolés dans deux criblages génétiques visant à isoler des mutants atténuants la signalisation du SIN. Summary : The cyclin dependent protein kinase (Cdk) cdc2p plays a central role in the cell cycle progression of fission yeast Schizosaccharomyces pombe. We have studied the role of cdc2p in regulating the septation initiation network (SIN) in mitosis and meiosis. The SIN regulates the initiation of cytokinesis at the end of mitosis and is thought to be inhibited by cdc2p. We have mutated the active site of cdc2p to permit binding of an inhibitory ATP analogue (PP1), which is unable to bind unmodified kinases. This "chemical genetic" approach provides a much higher temporal resolution than it can be achieved with classical temperature-sensitive mutants. We demonstrate that cdc2-as (analogue sensitive) is functional and that addition of PP1 inhibits cdc2p kinase activity in vitro. Cells carrying the cdc2-as allele, but not cdc2+, undergo reversible cell cycle arrest following addition of PP1 either in G2, or at both major commitment points in the cell cycle (G1 and G2), depending upon the concentration of PP1. Inactivation of cdc2p-as in cells arrested in early mitosis promotes both the asymmetric recruitment of SIN proteins to the spindle pole bodies (SPBs), and the recruitment of the most downstream SIN components and ß-(1,3)-glucan synthase to the contractile ring. Furthermore, our results indicate that the S. pombe orthologue of Cdc14p, flp1p/clp1p, plays a role in regulating the relocalisation of SIN proteins following inactivation of cdc2p, and that cdc2p activity is required to retain the polo like kinase plot p on the SPBs in early mitosis. Thus, we conclude that inactivation of cdc2p is sufficient to activate the SIN and to promote cytokinesis. In a separate study, we have initially characterised potential novel components or regulators of the SIN pathway identified by two genetic screens for mutants attenuating SIN signaling.

Identification and characterization of novel molecular mechanisms involved in initiation and progression of myelination

Schwann cells synthesize a large amount of membrane that form a specialized structure called myelin that surrounds axons and facilitate the transmission of electrical signal along neurons in peripheral nervous system (PNS). Previous studies demonstrated that both Schwann cell differentiation and de-differentiation (in the situation of a nerve injury or demyelinating disease) are regulated by cell-intrinsic regulators including several transcription factors. In particular, the de-differentiation of mature Schwann cells is driven by the activation of multiple negative regulators of myelination including Sox2, c-Jun, Notch and Pax3, all usually expressed in immature Schwann cells and suppressed at the onset of myelination. In order to identify new regulators of myelination involved in the development of the PNS, we analyzed the gene-expression profiling data from developing PNS and from three models of demyelinating neuropathies. This analysis led to the identification of Sox4, a member of the Sox family of transcription factors, as a potential candidate. To characterize the molecular function of Sox4 in PNS, we generated two transgenic lines of mice, which overexpress Sox4 specifically in Schwann cells. Detailed analysis of these mice showed that the overexpression of Sox4 in Schwann cells causes a delay in progression of myelination between post-natal day 2 (P2) and P5. Our in vitro analysis suggested that Sox4 cDNA can be overexpressed while the protein translation is tightly regulated. Interestingly, we observed that Sox4 protein is stabilized in nerves of the CMT4C mouse, a model of the human neuropathy. We therefore crossed Sox4 transgenic mice with CMT4C mice and we observed that Sox4 overexpression exacerbated the neuropathy phenotype in these mice. While recognized as being crucial for the normal function of both neurons and myelinating glial cells, the processes that regulate the beginning of myelination and the nature of the neuro-glial cross-talk remains mostly unknown. In order to gain insight into the molecular pathways involved in the interactions between neurons and associated glial cells, we developed a neuron-glia co-culture system based on microfluidic chambers and successfully induced myelination in this system by ascorbic acid. Importantly, we observed that in addition to acting on Schwann cells, ascorbic acid also modulate neuronal/axonal NRG1/ErbB2-B3 signalling. The experimental setting used in our study thus allowed us to discover a novel phenomena of propagation for myelination in vitro. The further characterization of this event brought us to identify other compounds able to induce myelination: ADAMs secretases inhibitor GM6001 and cyclic-AMP. The results generated during my thesis project are therefore not only important for the advancement of our understanding of how the PNS works, but may also potentially help to develop new therapies aiming at improvement of PNS myelination under disease conditions. - Les cellules de Schwann synthétisent une grande quantité de membrane formant une structure spécialisée appelée myéline qui entoure les axones et facilite la transmission du signal électrique le long des neurones du système nerveux périphérique (SNP). Des études antérieures ont démontré que la différenciation et la dédifférenciation des cellules de Schwann (dans la situation d'une lésion nerveuse ou d'une maladie démyélinisante) sont régulées par des régulateurs cellulaires intrinsèques, incluant plusieurs facteurs de transcription. En particulier, la dédifférenciation des cellules de Schwann matures est contrôlée par l'activation de plusieurs régulateurs négatifs de la myélinisation dont Sox2, c-Jun, Notch et Pax3, tous habituellement exprimés dans des cellules de Schwann immatures et supprimés au début de la myélinisation. Afin d'identifier de nouveaux régulateurs de myélinisation impliqués dans le développement du SNP, nous avons analysé le profil d'expression génique durant le développement du SNP ainsi que dans trois modèles de neuropathies démyélinisantes. Cette analyse a mené à l'identification de Sox4, un membre de la famille des facteurs de transcription Sox, comme étant un candidat potentiel. Dans le but de caractériser la fonction moléculaire de Sox4 dans le SNP, nous avons généré deux lignées transgéniques de souris qui surexpriment Sox4 spécifiquement dans les cellules de Schwann. L'analyse détaillée de ces souris a montré que la surexpression de Sox4 dans les cellules de Schwann provoque un retard dans la progression de la myélinisation entre le jour postnatal 2 (P2) et P5. Notre analyse in vitro a suggéré que l'ADNc de Sox4 peut être surexprimé alors que la traduction des protéines est quand à elle étroitement régulée. De façon intéressante, nous avons observé que la protéine Sox4 est stabilisée dans les nerfs des souris CMT4C, un modèle de neuropathie humaine. Nous avons donc croisé les souris transgéniques Sox4 avec des souris CMT4C et avons observé que la surexpression de Sox4 exacerbe le phénotype de neuropathie chez ces souris. Bien que reconnus comme étant cruciaux pour le fonctionnement normal des neurones et des cellules gliales myélinisantes, les processus qui régulent le début de la myélinisation ainsi que la nature des interactions neurone-glie restent largement méconnus. Afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans les interactions entre les neurones et les cellules gliales leur étant associés, nous avons développé un système de co-culture neurone-glie basé sur des chambres microfluidiques et y avons induit avec succès la myélinisation avec de l'acide ascorbique. Étonnamment, nous avons remarqué que, en plus d'agir sur les cellules de Schwann, l'acide ascorbique module également la voie de signalisation neuronale/axonale NRG1/ErbB2-B3. Le protocole expérimental utilisé dans notre étude a ainsi permis de découvrir un nouveau phénomène de propagation de la myélinisation in vitro. La caractérisation plus poussée de ce phénomène nous a menés à identifier d'autres composés capables d'induire la myélinisation: L'inhibiteur de sécrétases ADAMs GM6001 et l'AMP cyclique. Les résultats obtenus au cours de mon projet de thèse ne sont donc pas seulement importants pour l'avancement de notre compréhension sur la façon dont le SNP fonctionne, mais peuvent aussi potentiellement aider à développer de nouvelles thérapies visant à l'amélioration de la myélinisation du SNP dans des conditions pathologiques.

Genomic determinants of the efficiency of internal ribosomal entry sites of viral and cellular origin

Summary : Internal ribosome entry sites (IRES) are used by viruses as a strategy to bypass inhibition of cap-dependent translation that commonly results from viral infection. IRES are also used in eukaryotic cells to control mRNA translation under conditions of cellular stress (apoptosis, heat shock) or during the G2 phase of the cell cycle when general protein synthesis is inhibited. Variation in cellular expression levels has been shown to be inherited. Expression is controlled, among others, by transcriptional factors and by the efficiency of cap-mediated translation and ribosome activity. We aimed at identifying genomic determinants of variability in IRES-mediated translation of two representative IRES [Encephalomyocarditis virus (EMCV) and X-linked Inhibitor-of-Apoptosis (XIAP) IRES]. We used bicistronic lentiviral constructions expressing two fluorescent reporter transgenes. Lentiviruses were used to transduce seven different laboratory cell lines and B lymphoblastoid cell lines from the Centre d'Etude du Polymorphisme Humain (CEPH; 15 pedigrees; n=209); representing an in vitro approach to family structure allowing genome scan analyses. The relative expression of the two markers was assessed by FACS. IRES efficiency varies according to cellular background, but also varies, for a same cell type, among individuals. The control of IRES activity presents an inherited component (h2) of 0.47 and 0.36 for EMCV and XIAP IRES, respectively. A genome scan identified a suggestive Quantitative Trait Loci (LOD 2.35) involved in the control of XIAP IRES activity. Résumé : Les sites internes d'entrée des ribosomes (IRES = internal ribosome entry sites) sont utilisés par les virus comme une stratégie afin d'outrepasser l'inhibition de traduction qui résulte communément d'une infection virale. Les IRES sont également utilisés par les cellules eucaryotes pour contrôler la traduction de l'ARN messager dans des conditions de stress cellulaire (apoptose, choc thermique) ou durant la phase G2 du cycle cellulaire, situations durant lesquelles la synthèse générale des protéines est inhibée. La variation des niveaux d'expression cellulaire de transcription est un caractère héréditaire. L'expression des gènes est contrôlée entre autre par les facteurs de transcription et par l'efficacité de la traduction initiée par la coiffe ainsi que par l'activité des ribosomes. Durant cette étude nous avons eu pour but d'identifier les déterminants génomiques responsables de la variabilité de la traduction contrôlée par l'IRES. Ceci a été effectué en étudiant deux IRES représentatifs : l'IRES du virus de l'encéphalomyocardite (EMCV) et l'IRES de l'inhibiteur de l'apoptose XIAP (X-linked Inhibitor-of-Apoptosis). Nous avons utilisés des lentivirus délivrant un transgène bicistronique codant pour deux gènes rapporteurs fluorescents. Ces lentivirus ont été utilisés pour transduire sept différentes lignées cellulaires de laboratoire et des lignées cellulaires lymphoblastoïdes B du Centre d'Etude du Polymorphisme Humain (CEPH; 15 pedigrees; n=209) qui représentent une approche in vitro de la structure familiale et qui permettent des analyses par balayage du génome. L'expression relative des deux marqueurs fluorescents a été analysée par FACS. Nos résultats montrent que l'efficacité des IRES varie en fonction du type de cellules. Il varie aussi, pour le même type de cellules, selon les individus. Le contrôle de l'activité de l'IRES est un caractère héritable (héritabilité h2) de 0.47 et 0.36 pour les IRES de EMCV et XIAP respectivement. Le balayage du génome a permis l'identification d'un locus à effets quantitatifs [QTL Quantitative Trait Loci (LOD 2.35)] impliqué dans le contôle de l'activité de l'IRES de XIAP.

Optimisation of antiretroviral therapy : pharmacokinetic and pharmacogenetic approaches

Les progrès de la thérapie antirétrovirale ont transformé l'infection par le VIH d'une condition inévitablement fatale 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 totaux, libres et/ou cellulaires des médicaments pourrait améliorer à la fois l'efficacité et la tolérance de la thérapie, cette dernière étant certainement un enjeu majeur pour un traitement qui se prend à vie.L'objectif global de cette thèse était de mieux comprendre les facteurs pharmacocinétiques (PK) et pharmacogénétiques (PG) influençant l'exposition aux médicaments antirétroviraux (ARVs) nous offrant ainsi une base rationnelle pour l'optimisation du traitement antiviral et pour l'ajustement posologique des médicaments chez les patients VIH-positifs. Une thérapie antirétrovirale adaptée au patient est susceptible d'augmenter la probabilité d'efficacité et de tolérance à ce traitement, permettant ainsi une meilleure compliance à long terme, et réduisant le risque d'émergence de résistance et d'échec thérapeutique.A cet effet, des méthodes de quantification des concentrations plasmatiques totales, libres et cellulaires des ARVs ainsi que de certains de leurs métabolites ont été développées et validées en utilisant la chromatographie liquide coupée à la spectrométrie de masse en tandem. Ces méthodes ont été appliquées pour la surveillance des taux d'ARVs dans diverses populations de patients HIV-positifs. Une étude clinique a été initiée dans le cadre de l'étude VIH Suisse de cohorte mère-enfant afin de déterminer si la grossesse influence la cinétique des ARVs. Les concentrations totales et libres du lopînavir, de l'atazanavir et de la névirapine ont été déterminées chez les femmes enceintes suivies pendant leur grossesse, et celles-ci ont été trouvées non influencées de manière cliniquement significative par la grossesse. Un ajustement posologique de ces ARVs n'est donc pas nécessaire chez les femmes enceintes. Lors d'une petite étude chez des patients HIV- positifs expérimentés, la corrélation entre l'exposition cellulaire et plasmatique des nouveaux ARVs, notamment le raltégravir, a été déterminée. Une bonne corrélation a été obtenue entre taux plasmatiques et cellulaires de raltégravir, suggérant que la surveillance des taux totaux est un substitut satisfaisant. Cependant, une importante variabilité inter¬patient a été observée dans les ratios d'accumulation cellulaire du raltégravir, ce qui devrait encourager des investigations supplémentaires chez les patients en échec sous ce traitement. L'efficacité du suivi thérapeutique des médicaments (TDM) pour l'adaptation des taux d'efavirenz chez des patients avec des concentrations au-dessus de la cible thérapeutique recommandée a été évaluée lors d'une étude prospective. L'adaptation des doses d'efavirenz basée sur le TDM s'est montrée efficace et sûre, soutenant l'utilisation du TDM chez les patients avec concentrations hors cible thérapeutique. L'impact des polymorphismes génétiques des cytochromes P450 (CYP) 2B6, 2A6 et 3A4/5 sur la pharmacocinétique de l'efavirenz et de ces métabolites a été étudié : un modèle de PK de population intégrant les covariats génétiques et démographiques a été construit. Les variations génétiques fonctionnelles dans les voies de métabolisation principales (CYP2B6) et accessoires {CYP2A6et 3A4/S) de l'efavirenz ont un impact sur sa disposition, et peuvent mener à des expositions extrêmes au médicament. Un? ajustement des doses guidé par le TDM est donc recommandé chez ces patients, en accord avec les polymorphismes génétiques.Ainsi, nous avons démonté qu'en utilisant une approche globale tenant compte à la fois des facteurs PK et PG influençant l'exposition aux ARVs chez les patients infectés, il est possible, si nécessaire, d'individualiser la thérapie antirétrovirale dans des situations diverses. L'optimisation du traitement antirétroviral contribue vraisemblablement à une meilleure efficacité thérapeutique à iong terme tout en réduisant la survenue d'effets indésirables.Résumé grand publicOptimisation de la thérapie antirétrovirale: approches pharmacocinétiques et pharmacogénétiquesLes progrès effectués dans le traitement de l'infection par le virus de llmmunodéficienoe humaine acquise (VIH) ont permis de transformer une affection mortelle en une maladie chronique traitable avec des médicaments de plus en plus efficaces. Malgré ce succès, un certain nombre de patients ne répondent pas de façon optimale à leur traitement etyou souffrent d'effets indésirables médicamenteux entraînant de fréquentes modifications dans leur thérapie. Il a été possible de mettre en évidence que l'efficacité d'un traitement antirétroviral est dans la plupart des cas corrélée aux concentrations de médicaments mesurées dans le sang des patients. Cependant, le virus se réplique dans la cellule, et seule la fraction des médicaments non liée aux protéines du plasma sanguin peut entrer dans la cellule et exercer l'activité antirétrovirale au niveau cellulaire. Il existe par ailleurs une importante variabilité des concentrations sanguines de médicament chez des patients prenant pourtant la même dose de médicament. Cette variabilité peut être due à des facteurs démographiques et/ou génétiques susceptibles d'influencer la réponse au traitement antirétroviral.Cette thèse a eu pour objectif de mieux comprendre les facteurs pharmacologiques et génétiques influençant l'efficacité et ta toxicité des médicaments antirétroviraux, dans le but d'individualiser la thérapie antivirale et d'améliorer le suivi des patients HIV-positifs.A cet effet, des méthodes de dosage très sensibles ont été développées pour permettre la quantification des médicaments antirétroviraux dans le sang et les cellules. Ces méthodes analytiques ont été appliquées dans le cadre de diverses études cliniques réalisées avec des patients. Une des études cliniques a recherché s'il y avait un impact des changements physiologiques liés à la grossesse sur les concentrations des médicaments antirétroviraux. Nous avons ainsi pu démontrer que la grossesse n'influençait pas de façon cliniquement significative le devenir des médicaments antirétroviraux chez les femmes enceintes HIV- positives. La posologie de médicaments ne devrait donc pas être modifiée dans cette population de patientes. Par ailleurs, d'autres études ont portés sur les variations génétiques des patients influençant l'activité enzymatique des protéines impliquées dans le métabolisme des médicaments antirétroviraux. Nous avons également étudié l'utilité d'une surveillance des concentrations de médicament (suivi thérapeutique) dans le sang des patients pour l'individualisation des traitements antiviraux. Il a été possible de mettre en évidence des relations significatives entre l'exposition aux médicaments antirétroviraux et l'existence chez les patients de certaines variations génétiques. Nos analyses ont également permis d'étudier les relations entre les concentrations dans le sang des patients et les taux mesurés dans les cellules où le virus HIV se réplique. De plus, la mesure des taux sanguins de médicaments antirétroviraux et leur interprétation a permis d'ajuster la posologie de médicaments chez les patients de façon efficace et sûre.Ainsi, la complémentarité des connaissances pharmacologiques, génétiques et virales s'inscrit dans l'optique d'une stratégie globale de prise en charge du patient et vise à l'individualisation de la thérapie antirétrovirale en fonction des caractéristiques propres de chaque individu. Cette approche contribue ainsi à l'optimisation du traitement antirétroviral dans la perspective d'un succès du traitement à long terme tout en réduisant la probabilité des effets indésirables rencontrés. - The improvement in antirétroviral therapy has transformed HIV infection from an inevitably fatal condition to a chronic, manageable 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 total, free and/or cellular drug level may increase both drug efficacy and tolerability. Drug tolerability is certainly a major issue for a treatment that must be taken indefinitely.The global objective of this thesis aimed at increasing our current understanding of pharmacokinetic (PK) and pharmacogenetic (PG) factors influencing the exposition to antirétroviral drugs (ARVs) in HIV-positive patients. In turn, this should provide us with a rational basis for antiviral treatment optimisation and drug dosage adjustment in HIV- positive patients. Patient's tailored antirétroviral regimen is likely to enhance treatment effectiveness and tolerability, enabling a better compliance over time, and hence reducing the probability of emergence of viral resistance and treatment failure.To that endeavour, analytical methods for the measurement of total plasma, free and cellular concentrations of ARVs and some of their metabolites have been developed and validated using liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry. These assays have been applied for the monitoring of ARVs levels in various populations of HIV- positive patients. A clinical study has been initiated within the frame of the Mother and Child Swiss HIV Cohort Study to determine whether pregnancy influences the exposition to ARVs. Free and total plasma concentrations of lopinavir, atazanavir and nevirapine have been determined in pregnant women followed during the course of pregnancy, and were found not influenced to a clinically significant extent by pregnancy. Dosage adjustment for these drugs is therefore not required in pregnant women. In a study in treatment- experienced HIV-positive patients, the correlation between cellular and total plasma exposure to new antirétroviral drugs, notably the HIV integrase inhibitor raltegravir, has been determined. A good correlation was obtained between total and cellular levels of raltegravir, suggesting that monitoring of total levels are a satisfactory. However, significant inter-patient variability was observed in raltegravir cell accumulation which should prompt further investigations in patients failing under an integrase inhibitor-based regimen. The effectiveness of therapeutic drug monitoring (TDM) to guide efavirenz dose reduction in patients having concentrations above the recommended therapeutic range was evaluated in a prospective study. TDM-guided dosage adjustment of efavirenz was found feasible and safe, supporting the use of TDM in patients with efavirenz concentrations above therapeutic target. The impact of genetic polymorphisms of cytochromes P450 (CYP) 2B6, 2A6 and 3A4/5 on the PK of efavirenz and its metabolites was studied: a population PK model was built integrating both genetic and demographic covariates. Functional genetic variations in main (CYP2B6) and accessory (2A6, 3A4/5) metabolic pathways of efavirenz have an impact on efavirenz disposition, and may lead to extreme drug exposures. Dosage adjustment guided by TDM is thus required in those patients, according to the pharmacogenetic polymorphism.Thus, we have demonstrated, using a comprehensive approach taking into account both PK and PG factors influencing ARVs exposure in HIV-infected patients, the feasibility of individualising antirétroviral therapy in various situations. Antiviral treatment optimisation is likely to increase long-term treatment success while reducing the occurrence of adverse drug reactions.

Protease-activated receptor 2 signalling promotes dendritic cell antigen transport and T cell activation in vivo

Rapport de synthèse : Le récepteur activé par protéase de type 2 (PAR2) intervient dans l'inflammation dans divers modèles expérimentaux de maladies inflammatoires et auto-immunes, mais le mécanisme par lequel il exerce cette fonction reste mal compris. PAR2 est exprimé sur des cellules endothéliales et immunitaires et a été impliqué dans la différentiation des cellules dendritiques (DC). Avec leur rôle central dans la réponse immune, les DC pourraient jouer un rôle clef, l'activation de PAR2 à leur surface modulant la réponse immune. Des recherches précédentes ont montré que PAR2 a un effet dans le développement et la maturation des DC de moelle osseuse in vitro, ainsi que dans la promotion de la réponse immune en allergie. Dans cette étude, nous avons évalué l'impact in vivo de l'activation de PAR2 sur les DC et les cellules T dans des souris déficientes en PAR2 (KO) en utilisant un peptide agoniste spécifique du PAR2 (AP2). L'activation de PAR2 a augmenté la fréquence de DC matures dans les ganglions lymphatiques 24 heures après l'administration d'AP2 d'une manière significative. En outre, ces DC avaient une expression augmentée des molécules de co-stimulation CD86 et du complexe majeur d'histocompatibilité type 2 (MHC-II). 48 heures après l'injection d'AP2, nous avons également observé une élévation significative des lymphocytes T CD4+ et CD8+ activés, (CD44+CD62-) dans ces ganglions. Des changements dans le profil d'activation des DC et des cellules T n'ont pas été observés au niveau de a rate. L'influence de la signalisation de PAR2 sur le transport d'antigène aux ganglions lymphatiques inguinaux a été évaluée dans le contexte d'hypersensibilité retardée de type IV. Les souris KO sensibilisées par peinture de la peau avec fluorescéine isothyocyanate (FITC) afin d'induire une hypersensibilité retardée avaient un pourcentage diminué de DC FITC+ dans les ganglions lymphatiques 24 heures après l'application du FITC en comparaison avec les souris sauvages avec le même fond génétique (0.47% vs 0.95% des cellules ganglionnaires totales). En conclusion, ces résultats démontrent que la signalisation de PAR2 favorise et renforce la maturation et le transport d'antigène par des DC .vers les ganglions lymphatiques ainsi que l'activation ultérieure des lymphocytes T, et de ce fait fournissent une explication pour l'effet pro inflammatoire de PAR2 dans les modèles animaux d'inflammation. Une meilleure compréhension de ce mécanisme de modulation du système immun via PAR2 peut s'avérer particulièrement utile pour le développement des vaccins, ainsi que pour la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques dans le contexte de l'allergie, l'auto-immunité, et les maladies inflammatoires.

The role of Malt1 proteolytic activity in T cell activation and lymphoma development

Abstract Long term contact with pathogens induces an adaptive immune response, which is mainly mediated by T and B cells. Antigen-induced activation of T and B cells is an important event, since it facilitates the transition of harmless, low proliferative lymphocytes into powerful and fast expanding cells, which can, if deregulated, be extremely harmful and dangerous for the human body. One of the most important events during lymphocyte activation is the induction of NF-xB activity, a transcription factor that controls not only cytokine secretion, but also lymphocyte proliferation and survival. Recent discoveries identified the CBM complex as the central regulator of NF-xB activity in lymphocytes. The CBM complex consists of the three proteins Carma1, Bcl10 and Malt1, in which Carma1 serves as recruitment platform of the complex and Bcl10 as an adaptor to recruit Malt1 to this platform. But exactly how Malt1 activates NF-x6 is still poorly understood. We discovered that Malt1 is a protease, which cleaves its interaction partner Bcl10 upon T and B cell stimulation. We mapped the Bcl10 cleavage site by single point mutations as well as by a proteomics approach, and used this knowledge to design a fluorogenic Malt1 reporter peptide. With this tool were we able to the first time demonstrate proteolytic activity of Malt1 in vitro, using recombinant Malt1, and in stimulated T cells. Based on similarities to a metacaspase, we designed a Malt1inhibitor, which allowed unto investigate the role of Malt1 activity in T cells. Malt1-inhibited T cells showed a clear defect in NF-xB activity, resulting in impaired IL-2 cytokine secretion levels. We also found a new unexpected role for Bcl10; the blockade of Bcl10 cleavage resulted in a strongly impaired capability of stimulated T cells to adhere to the extracellular matrix protein fibronectin. Because of the central position of the C8M complex, it is not surprising that different lymphomas show abnormal expressions of Carma1, Bcl10 and Malt1. We investigated the role of Malt1 proteolytic activity in the most aggressive subtype of diffuse large B cell lymphomas called ABC, which was described to depend on the expression of Carmal, and frequently carries oncogenic Carmal mutations. We found constitutive high Malt1 activity in all tested ABC cell lines visualized by detection of cleavage products of Malt1 substrates. With the use of the Malt1-inhibitor, we could demonstrate that Malt-inhibition in those cells had two effects. First, the tumor cell proliferation was decreased, most likely because of lower autocrine stimulation by cytokines. Second, we could sensitize the ABC cells towards cell death, which is most likely caused by reduced expression of prosurvival NF-xB target gens. Taken together, we identified Malt1 as a protease in T and B cells, demonstrated its importance for NF-xB signaling and its deregulation in a subtype of diffuse large B cell lymphoma. This could allow the development of a new generation of immunomodulatory and anti-cancer drugs. Résumé Un contact prolongé avec des pathogènes provoque une réponse immunitaire adaptative qui dépend principalement des cellules T et 8. L'activation des lymphocytes T et B, suite à la reconnaissance d'un antigène, est un événement important puisqu'il facilite la transition pour ces cellules d'un état de prolifération limitée et inoffensive à une prolifération soutenue et rapide. Lorsque ce mécanisme est déréglé ìl peut devenir extrêmement nuisible et dangereux pour le corps humain. Un des événement les plus importants lors de l'activation des lymphocytes est l'induction du facteur de transcription NFxB, qui organise la sécrétion de cytokines ainsi que la prolifération et la survie des lymphocytes. Le complexe CBM, composé des trois protéines Carmai, Bc110 et Malt1, a été récemment identifié comme un régulateur central de l'activité de NF-x8 dans les lymphocytes. Carma1 sert de plateforme de recrutement pour ce complexe alors que Bc110 permet d'amener Malt1 dans cette plateforme. Cependant, le rôle exact de Malt1 dans l'activation de NF-tcB reste encore mal compris. Nous avons découvert que Malt1 est une protéase qui clive son partenaire d'interaction BcI10 après stimulation des cellules T et B. Nous avons identifié le site de clivage de BcI10 par une série de mutations ponctuelles ainsi que par une approche protéomique, ce qui nous a permis de fabriquer un peptide reporteur fluorogénique pour mesurer l'activité de Malt1. Grâce à cet outil, nous avons démontré pour la première fois l'activité protéolytique de Malt1 in vitro à l'aide de protéines Malt1 recombinantes ainsi que dans des cellules T stimulées. La ressemblance de Malt1 avec une métacaspase nous a permis de synthétiser un inhibiteur de Malt1 et d'étudier ainsi le rôle de l'activité de Malt1 dans les cellules T. L'inhibition de Malt1 dans les cellules T a révélé un net défaut de l'activité de NF-x8, ayant pour effet une sécrétion réduite de la cytokine IL-2. Nous avons également découvert un rôle inattendu pour Bcl10: en effet, bloquer le clivage de Bcl10 diminue fortement la capacité d'adhésion des cellules T stimulées à la protéine fïbronectine, un composant de la matrice extracellulaire. En raison de la position centrale du complexe CBM, il n'est pas étonnant que le niveau d'expression de Carmai, Bcl10 et Malt1 soit anormal dans plusieurs types de lymphomes. Nous avons examiné le rôle de l'activité protéolytique de Malt1 dans le sous-type le plus agressif des lymphomes B diffus à grandes cellules, appelé sous-type ABC. Ce sous-type de lymphomes dépend de l'expression de Carmai et présente souvent des mutations oncogéniques de Carma1. Nous avons démontré que l'activité de Malt1 était constitutivement élevée dans toutes les lignées cellulaires de type ABC testées, en mettant en évidence la présence de produits de clivage de différents substrats de Malt1. Enfin, l'utilisation de l'inhibiteur de Malt1 nous a permis de démontrer que l'inhibition de Malt1 avait deux effets. Premièrement, une diminution de la prolifération des cellules tumorales, probablement dûe à leur stimulation autocrine par des cytokines fortement réduite. Deuxièmement, une sensibilisation des cellules de type ABC à ia mort cellulaire, vraisemblablement causée par l'expression diminuée de gènes de survie dépendants de NF-tcB. En résumé, nous avons identifié Malt1 comme une protéase dans les cellules T et B, nous avons mis en évidence son importance pour l'activation de NF-xB ainsi que les conséquences du dérèglement de l'activité de Malt1 dans un sous-type de lymphome B diffus à larges cellules. Notre étude ouvre ainsi la voie au développement d'une nouvelle génération de médicaments immunomodulateurs et anti-cancéreux.

CTCF-T, a paralogue of CTCF, directs sequence specific DNA methylation of the imprinting control region of Igf2/H19

SUMMARY Genomic imprinting is an epigenetic mechanism of transcriptional regulation that ensures restriction of expression of a subset of mammalian genes to a single parental allele. The best studied example of imprinted gene regulation is the Igf2/H19 locus, which is also the most commonly altered by loss of imprinting (LOT) in cancer. LOT is associated with numerous hereditary diseases and several childhood, and adult cancers. Differential expression of reciprocal H19 and 1gf2 alleles in somatic cells depends on the methylation status of the imprinting control region (ICR) which regulates binding of CTCF, an ubiquitously expressed 11-zinc finger protein that binds specifically to non-methylated maternal ICR and thereby attenuates expression of Igf2, while it does not bind to methylated paternal ICR, which enables Igf2 expression. Initial ICR methylation occurs during gametogenesis by an as yet unknown mechanism. The accepted hypothesis is that the event of differential maternal and paternal DNA methylation depends on germ-line specific proteins. Our Laboratory identified a novel 11-zinc-finger protein CTCF-T (also known as CTCFL and BORIS) that is uniquely expressed in the male germ-line and is highly homologous within its zinc-finger region with CTCF. The amino-acid sequences flanking the zinc-finger regions of CTCF and CTCF-T have widely diverged, suggesting that though they could bind to the same DNA targets (ICRs) they are likely to have different functions. Interestingly, expression of CTCF-T and CTCF is mutually exclusive; CTCF-T-positive (CTCF-negative) cells occur in the stage of spermatogenesis that coincides with epigenetic reprogramming, including de novo DNA methylation. In our study we demonstrate the role that CTCF-T plays in genomic imprinting. Here we show that CTCF-T binds in vivo to the ICRs of Igf2/H19 and Dlk/Gt12 imprinted genes. In addition, we identified two novel proteins interacting with CTCF-T: a protein arginine methyltransferase PRMT7 and an arginine-rich histone H2A variant that we named trH2A. These interactions were confirmed and show that the two proteins interact with the amino-teiminal region of CTCF-T. Additionally, we show interaction of the amino- terminal region of CTCF-T with histones H1, H2A and H3. These results suggest that CTCF-T is a sequence-specific DNA (ICR) binding protein that associates with histones and recruits PRMT7. Interestingly, PRMT7 has a histone-methyltransferase activity. It has been shown that histone methylation can mark chromatin regions thereby directing DNA-methylation; thus, our hypothesis is that the CTCF-T protein-scaffold directs PRMT7 to methylate histone(s) assembled on ICRs, which marks chromatin for the recruitment of the de novo DNA methyltransferases to methylate DNA. To test this hypothesis, we developed an in vivo DNA-methylation assay using Xenopus laevis' oocytes, where H19 ICR and different expression cDNAs, including CTCF-T, PRMT7 and the de novo DNA methyltransferases (Dnmt3a, Dnmt3b and Dnmt3L) are microinjected into the nucleus. The methylation status of CpGs within the H19 ICR was analysed 48 or 72 hours after injection. Here we demonstrate that CpGs in the ICR are methylated in the presence of both CTCF-T and PRMT7, while control oocytes injected only with ICR did not show any methylation. Additionally, we showed for the first time that Dnmt3L is crucial for the establishment of the imprinting marks on H19 ICR. Moreover, we confirmed that Dnmt3a and Dnmt3b activities are complementary. Our data indicate that all three Dnmt3s are important for efficient de novo DNA methylation. In conclusion, we propose a mechanism for the establishment of de novo imprinting marks during spermatogenesis: the CTCF-T/PRMT7 protein complex directs histone methylation leading to sequence-specific de novo DNA methylation of H19 ICR. RESUME L'empreinte génomique parentale est un mécanisme épigénétique de régulation transcriptionelle qui se traduit par une expression différentielle des deux allèles de certains gènes, en fonction de leur origine parentale. L'exemple le mieux caractérisé de gènes soumis à l'empreinte génomique parentale est le locus Igf2/H19, qui est aussi le plus fréquemment altéré par relaxation d'empreinte (en anglais: loss of imprinting, LOI) dans les cancers. Cette relaxation d'empreinte est aussi associée à de nombreuses maladies héréditaires, ainsi qu'à de nombreux cancers chez l'enfant et l'adulte. Dans les cellules somatiques, les différences d'expression des allèles réciproques H19 et Ig12 est sous le contrôle d'une région ICR (Imprinting Control Region). La méthylation de cette région ICR régule l'ancrage de la protéine à douze doigts de zinc CTCF, qui se lie spécifiquement à l'ICR maternel non-méthylé, atténuant ainsi l'expression de Igf2, alors qu'elle ne s'ancre pas à l'ICR paternel méthyle. Le mécanisme qui accompagne la méthylation initiale de la région ICR durant la gamétogenèse n'a toujours pas été élucidé. L'hypothèse actuelle propose que la différence de méthylation entre l'ADN maternel et paternel résulte de l'expression de protéines propres aux zones germinales. Notre laboratoire a récemment identifié une nouvelle protéine à douze doigts de zinc, CTCF-T (aussi dénommée CTCFL et BORRIS), qui est exprimée uniquement dans les cellules germinales mâles, dont la partie à douze doigts de zinc est fortement homologue à la protéine CTCF. La séquence d'acides aminés de part et d'autre de cette région est quant à elle très divergente, ce qui implique que CTCF-T se lie sans doute au même ADN cible que CTCF, mais possède des fonctions différentes. De plus, l'expression de CTCF-T et de CTCF s'oppose mutuellement; l'expression de la protéine CTCF-T (cellules CTCF-T positives, CTCF negatives) qui a lieu pendant la spermatogenèse coïncide avec la reprogrammation épigénétique, notamment la méthylation de novo de l'ADN. La présente étude démontre le rôle essentiel joué par la protéine CTCF-T dans l'acquisition de l'empreinte génomique parentale. Nous montrons ici que CTCF-T s'associe in vivo avec les régions ICR des loci Igf2/H19 et Dlk/Gt12. Nous avons également identifié deux nouvelles protéines qui interagissent avec CTCF-T : une protéine arginine méthyl transférase PRMT7, et un variant de l'histone H2A, riche en arginine, que nous avons dénommé trH2A. Ces interactions ont été analysées plus en détail, et confinnent que ces deux protéines s'associent avec la région N-terminale de CTCF-T. Aussi, nous présentons une interaction de la région N-terminale de CTCF-T avec les histones H1, H2, et H3. Ces résultats suggèrent que CTCF-T est une protéine qui se lie spécifiquement aux régions ICR, qui s'associe avec différents histones et qui recrute PRMT7. PRMT7 possède une activité méthyl-tansférase envers les histones. Il a été montré que la méthylation des histones marque certains endroits de la chromatine, dirigeant ainsi la méthylation de l'ADN. Notre hypothèse est donc la suivante : la protéine CTCF-T sert de base qui dirige la méthylation des histones par PRMT7 dans les régions ICR, ce qui contribue à marquer la chromatine pour le recrutement de nouvelles méthyl transférases pour méthyler l'ADN. Afin de valider cette hypothèse, nous avons développé un système de méthylation de l'ADN in vivo, dans des oeufs de Xenopus laevis, dans le noyau desquels nous avons mico-injecté la région ICR du locus H19, ainsi que différents vecteurs d'expression pour CTCF-T, PRMT7, et les de novo méthyl transférases (Dnmt3a, Dnmt3b et Dnmt3L). Les CpGs méthyles de la région ICR du locus H19 ont été analysé 48 et 72 heures après l'injection. Cette technique nous a permis de démontrer que les CpGs de la région ICR sont méthyles en présence de CTCF-T et de PRMT7, tandis que les contrôles injectés seulement avec la région ICR ne présentent aucun signe de méthylation. De plus, nous démontrons pour la première fois que la protéine méthyl transférase Dnmt3L est déterminant pour l'établissement de l'empreinte génomique parentale au niveau de la région ICR du locus H19. Aussi, nous confirmons que les activités méthyl transférases de Dnmt3a et Dnmt3b sont complémentaires. Nos données indiquent que les trois protéines Dnmt3 sont impliquées dans la méthylation de l'ADN. En conclusion, nous proposons un mécanisme responsable de la mise en place de nouvelles empreintes génomiques pendant la spermatogenèse : le complexe protéique CTCF-T/PRMT7 dirige la méthylation des histones aboutissant à la méthylation de novo de l'ADN au locus H19.

Insights into the regulation of two caspase-activating platforms, the inflammasome and the PIDDosome

Résumé: Les organismes multicellulaires ont adopté diverses stratégies pour répondre aux stress auxquels ils sont exposés. Cette étude a exploré deux de ces stratégies l'inflammation en réponse à une invasion par un pathogène, et l'apoptose ou la survie en réponse aux dommages à l'ADN. L'interleukine-lß (IL-lß) est une importante cytokine inflammatoire. Elle est synthétisée sous forme d'un précurseur inactif et nécessite un clivage par la caspase-1 pour être activée. La caspase-1 elle-même est activée dans un complexe appelé inflammasome. Certains NLRs (Nod-like receptors), IPAF et les NALPs, sont capables de former des inflammasomes fonctionnels. Cette étude s'est intéressée au rôle d'un autre NLR structurellement proche, la protéine NAIP, dans la régulation de la caspase-1 et la maturation de l'IL-1 ß. NAIP est incorporé à l'inflammasome contenant NALP3 et est capable d'inhiber l'activation de la caspase-1 et la maturation de l'IL-lß. Cette fonction inhibitrice dépend des ses domaines BIR et est inhibée par ses LRRs. Le mécanisme exact d'inhibition reste à définir et la régulation de l'activation de NAIP est discutée. La deuxième partie de cette étude concerne la protéine PIDD. Cette protéine est impliquée avec RAIDD dans l'activation de la caspase-2, et est aussi capable, avec l'aide de RIP et de NEMO, d'activer NF-κB en réponse aux dommages à l'ADN. Deux isoformes de PIDD ont déjà été décrites dans la littérature, PIDD (isoforme 1) et LRDD (isoforme 2) et une troisième isoforme est rapportée ici. L'étude de l'expression de ces isoformes a montré qu'elles sont exprimées différemment dans les tissus et dans les lignées cellulaires, et que l'isoforme 3 est induite en réponse à un stress génotoxique. La caractérisation fonctionnelle a établi que les trois isoformes sont capables d'activer NF-κB, donc la survie, mais que seule l'isoforme 1 peut interagir avec RAIDD pour activer la caspase-2 et sensibiliser les cellules à la mort induite par un stress génotoxique. Le domaine intermédiaire de PIDD, situé entre le deuxième ZU5 et le DD est essentiel pour l'interaction entre PIDD et RAIDD et l'activation de la caspase-2 qui en découle. En conclusion, l'épissage différentiel de l'ARNm de PIDD permet la production d'au moins trois protéines possédant des fonctions agonistes ou antagonistes et qui peuvent participer au choix cellulaire entre survie et apoptose en réponse aux dommages à l'ADN. Summary: Multicellular organisms have evolved several strategies to cope with the stresses they encounter. The present study has explored two of these strategies: inflammation in response to a pathogenic invasion, and apoptosis or repair/survival in response to DNA damage. Interleukin-lß (IL-lß) is a key mediator of inflammation. It is synthesized as an inactive precursor and requires cleavage by caspase-1 to be activated. caspase-1 itself is activated in molecular platforms called inflammasomes, which can be formed by members of the NOD-like receptors (NLR) family, like IPAF and NALPs. This study has investigated the role of another NLR, the structurally related protein NAIP, in the regulation of caspase-1 activation and IL-lß maturation. An inhibitory role of NAIP on caspase-1 activation and IL-lß maturation was demonstrated, as well as NAIP incorporation in the NALP3 inflammasome. This inhibitory property relies on NAIP BIR domains and is inhibited by NAIP LRRs. The exact mechanism of NAIP-mediated caspase-1 activation remains to be elucidated and the regulation of NAIP activation is discussed. The second part of this study focused on the caspase-2 activating protein PIDD. This protein is known to mediate caspase-2 activation via RAIDD and to signal NF-κB via RIP and NEMO in response to DNA damage. Two isoforms of PIDD, PIDD (isoform 1) and LRDD (isoform 2), have already been reported and a third isoform is described here. Investigation of the expressional regulation of these isoforms indicated that they are differentially expressed in tissues and cell lines, and that isoform 3 mRNA levels are upregulated in response to genotoxic stress. Functional studies demonstrated that all three isoforms can activate NF-κB in response to DNA damage, but only isoform 1 is able to interact with RAIDD and activate caspase-2, sensitizing cells to genotoxic stress-induced cell death. The intermediate domain located between the second ZUS and the DD is essential for the interaction of PIDD and RAIDD and the subsequent caspase-2 activation. Thus the differential splicing of PIDD mRNA leads to the formation of at least thrée proteins with antagonizing/agonizing functions that could participate in determining cell fate in response to DNA damage.

The role of the Estrogen-Responsive B box protein in skin morphogenesis, wound repair and skin disease

SUMMARY: EBBP is a poorly characterized member of the RBCC/TRIM family (RING finger B-box coiled-coilltripartite motif). It is ubiquitously expressed, but particularly high levels are found in keratinocytes. There is evidence that EBBP is involved in inflammatory processes, since it can interact with pro-interleukin-1 ß (prolL-1 ß) in human macrophages and keratinocytes, and its downregulation results in reduced secretion of IL-1 ß. IL-1ß activation and secretion requires the proteolytic cleavage of prolL-1ß by caspase-1, which in turn is actìvated by a protein complex called the inflammasome. As it has been demonstrated that EBBP can bind two different proteins of the inflammasome (NALP-1 and caspase 1), we assumed that EBBP plays a role in the regulation of inflammation and that the inflammasome, which has as yet only been described in ínflammatory cells, may also exist in keratinocytes. Indeed, I could show in my thesis that the inflammasome components are expressed in human keratinócytes at the RNA and protein level and also in vivo in human epidermis. After irradiation with a physiological dose of UVB, keratinocytes activated prolL-1ß and secreted prolL-1 a, IL-1 ß, prolL-18 and inflammasome proteins, although all these proteins lack a classical signal peptide. The secretion was dependent on caspase-1 activity, but not on de novo protein synthesis. Knock-down of NALP1 and -3, caspase-1 and -5, EBBP and Asc strongly reduced the secretion of IL-1 ß, demonstrating that also in keratinocytes inflammasome proteins are directly involved in maturation of this cytokine. These results demonstrate for the first time the presence of an active inflammasome in non-professional immune cells. Moreover, they show that UV irradiation is a stimulus for inflammasome activation in keratinocytes. For the analysis of the ín vivo functions of EBBP, transgenic mice overexpressing EBBP in the epidermis were generated. To examine the influence of EBBP overexpression on inflammatory processes, we subjected the mice to different challenges, which induce inflammation. Wound-healing, UVB irradiation and delayed hypersensitivity were tested, but we did not observe any phenotype in the K14-EBBP mice. Besides, a conditional ebbp knockout mouse has been obtained, which will allow to determine the effects of EBBP gene deletion in different tissues and organs. RESUME: EBBP est un membre encore mal connu de la famille des RBCC/TRIM (RING finger B-box coiled-coil/tripartite motif). Il est exprimé de manière ubiquitaire, et en particulier dans les kératinocytes. EBBP étant capable d'interagir avec la prointerleukine-1 ß (prolL-1 ß) dans les macrophages et les kératinocytes humains et de réguler la sécrétion de l'IL-1 ß, il est très probable que cette protéine est impliquée dans l'inflammation. L'activation et la sécrétion de l'IL-1 ß requièrent le clivage protéolytique de son précurseur prolL-1ß par la caspase-1, qui est elle-même activée par un complexe protéique appelé l'inflammasome. Comme il a été démontré qu'EBBP peut lier deux protéines de l'inflammasome (NALP-1 et caspase-1), nous avons émis l'hypothèse qu'EBBP joue un rôle dans la régulation de l'inflammation et que l'inflammasome, jusqu'ici décrit exclusivement dans des cellules inflammatoires, existe dans les kératinocytes. En effet, j'ai pu montrer dans ma thèse que les composants de l'inflammasome sont exprimés dans les kératinocytes humains ainsi que in vivo dans l'épiderme humain. Après irradiation avec une dose, physiologique d'UVB, les kératinocytes activent la prolL-1 ß et sécrètent la prolL-1a, l'IL-1 ß, la prolL-18 et des protéines de l'inflammasome, bien que toutes ces protéines soient dépourvues de peptide signal. La sécrétion dépend de la caspase-1 mais pas de la synthèse protéique de novo. Le knock-down de NALP-1 et -3, des caspase-1 et -5, d'EBBP et d'Asc réduit de manière marquée la sécrétion d'IL-1 ß, démontrant que dans les kératinocytes également, les protéines de l'inflammasome sont impliquées directement dans la maturation de cette cytokine. Ces résultats démontrent pour la première fois la présence d'un inflammasome actif dans des cellules immunitaires non professionnelles. De plus, ils montrent que l'irradiation aux UV est un stimulus pour l'activation de l'inflammasome dans les kératinocytes. Pour l'analyse des fonctions d'EBBP in vivo, nous avons généré des souris transgéniques qui surexpriment EBBP dans l'épiderme. En vue d'examiner l'influence de la surexpression d'EBBP sur le processus inflammatoire, nous avons soumis ces souris à differents modèles d'inflammation. Nous avons testé cicatrisation, UVB et hypersensibilité retardée, mais n'avons pas observé de phénotype chez les souris transgéniques. En parallèle, nous avons également généré des souris knock-out pour ebbp qui devraient nous permettre de déterminer les effets de la suppression d'EBBP dans différents tissus et organes.

Rôle de l'activation de c-Jun N-terminal kinase (JNK) dans un modèle de glaucome chez le rat et neuroprotection par inhibition de la voie de JNK

RESUME : Dans ce travail effectué chez le rat adulte, l'excitotoxicité rétinienne est élicitée par injection intravitréenne de NMDA. Les lésions en résultant sont localisées dans la rétine interne. Elles prennent la forme de pycnoses dans la couche des cellules ganglionnaires (corps cellulaires des cellules ganglionnaires et amacrines déplacées) et dans la partie interne de la couche nucléaire interne (cellules amacrines). Cette localisation est liée à la présence de récepteurs au glutamate de type NMDA sur ces cellules. L'activation de ces récepteurs entraîne un influx calcique et l'activation de diverses enzymes (phospholipase A, calpaïnes, calmoduline, synthase d'oxyde nitrique). La signalisation se poursuit en aval en partie par les voies des Mitogen Activated Protein Kinase (MAPK) : ERK, p38, ]NK. Dans les expériences présentées, toutes trois sont activées après l'injection de NMDA. Dans les cascades de signalisation de JNK, trois kinases s'ancrent sur une protéine scaffold. Les MAPKKK phosphorylent MKK4 et MKK7, qui phosphorylent JNK. JNK a de nombreuses cibles nucléaires (dont le facteur de transcription c-Jun) et cytoplasmiques. La voie de JNK est bloquée par l'inhibiteur peptidique D-JNKI-1 en empêchant l'interaction de la kinase avec son substrat. L'inhibiteur est formé de 20 acides aminés du domaine de liaison JBD et de 10 acides aminés de la partie TAT du virus HIV. L'injection intravitréenne de D-JNKI-1 permet une diminution des taux de JNK et c-Jun phosphorylés dans les lysats de rétine. L'effet prépondérant est la restriction importante des altérations histologiques des couches internes de la rétine. L'évaluation par électrorétinogramme met en sus en évidence une sauvegarde de la fonction cellulaire. Ce travail a ainsi permis d'établir la protection morphologique et fonctionnelle des cellules de la rétine interne par inhibition spécifique de la voie de JNK lors d'excitotoxicité. SUMMARY Excitotoxicity in the retina associates with several pathologies like retinal ischemia, traumatic optic neuropathy and glaucoma. In this study, excitotoxicity is elicited by intravitreal NMDA injection in adult rats. Lesions localise in the inner retina. They present as pyknotic cells in the ganglion cell layer (ganglion cells and displaced amacrines) and the inner nuclear layer (amacrine cells). These cells express NMDA glutamate receptors. The receptor activation leads to a calcium flow into the cell and hence enzyme activation (phospholipase, calpains, calmodulin, nitric oxide synthase). The subsequent signaling pathways can involve the Mitogen Activated Protein Kinases (MAPK): ERK, p38 end JNK. These were all activated in our experiments. The signaling cascade organises around several scaffold proteins. The various MAPKKK phosphorylate MKK4 and MKK7, which phosphorylate JNK. JNK targets are of nuclear (c-Jun transcription factor) or cytoplasmic localisation. The peptidic inhibitor D-JNKI-1, 20 amino acids from the JNK binding domain JBD coupled to 10 amino acids of the TAT transporter, disrupts the binding of JNK with its substrate. Intravitreal injection of the inhibitor lowers phosphorylated forms of JNK and c-Jun in retinal extracts. It protects strongly against histological lesions in the inner retina and allows functional rescue.

INTERCELLULAR AND SYSTEM-LEVEL ASPECTS OF THE METABOLIC INTERACTIONS BETWEEN NEURONS AND GLIA

Quand on parle de l'acide lactique (aussi connu sous le nom de lactate) une des premières choses qui vient à l'esprit, c'est son implication en cas d'intense activité musculaire. Sa production pendant une activité physique prolongée est associée avec la sensation de fatigue. Il n'est donc pas étonnant que cette molécule ait été longtemps considérée comme un résidu du métabolisme, possiblement toxique et donc à éliminer. En fait, il a été découvert que le lactate joue un rôle prépondérant dans le métabolisme grâce à son fort potentiel énergétique. Le cerveau, en particulier les neurones qui le composent, est un organe très gourmand en énergie. Récemment, il a été démontré que les astrocytes, cellules du cerveau faisant partie de la famille des cellules gliales, utilisent le glucose pour produire du lactate comme source d'énergie et le distribue aux neurones de manière adaptée à leur activité. Cette découverte a renouvelé l'intérêt scientifique pour le lactate. Aujourd'hui, plusieurs études ont démontré l'implication du lactate dans d'autres fonctions de la physiologie cérébrale. Dans le cadre de notre étude, nous nous sommes intéressés au rapport entre neurones et astrocytes avec une attention particulière pour le rôle du lactate. Nous avons découvert que le lactate possède la capacité de modifier la communication entre les neurones. Nous avons aussi décrypté le mécanisme grâce auquel le lactate agit, qui est basé sur un récepteur présent à la surface des neurones. Cette étude montre une fonction jusque-là insoupçonnée du lactate qui a un fort impact sur la compréhension de la relation entre neurones et astrocytes. - Relatively to its volume, the brain uses a large amount of glucose as energy source. Furthermore, a tight link exists between the level of synaptic activity and the consumption of energy equivalents. Astrocytes have been shown to play a central role in the regulation of this so-called neurometabolic coupling. They are thought to deliver the metabolic substrate lactate to neurons in register to glutamatergic activity. The astrocytic uptake of glutamate, released in the synaptic cleft, is the trigger signal that activates an intracellular cascade of events that leads to the production and release of lactate from astrocytes. The main goal of this thesis work was to obtain detailed information on the metabolic and functional interplay between neurons and astrocytes, in particular on the influence of lactate besides its metabolic effects. To gain access to both spatial and temporal aspects of these dynamic interactions, we used optical microscopy associated with specific fluorescent indicators, as well as electrophysiology. In the first part of this thesis, we show that lactate decreases spontaneous neuronal, activity in a concentration-dependent manner and independently of its metabolism. We further identified a receptor-mediated pathway underlying this modulatory action of lactate. This finding constituted a novel mechanism for the modulation of neuronal transmission by lactate. In the second part, we have undergone a characterization of a new pharmacological tool, a high affinity glutamate transporter inhibitor. The finality of this study was to investigate the detailed pharmacological properties of the compound to optimize its use as a suppressor of glutamate signal from neuron to astrocytes. In conclusion, both studies have implications not only for the understanding of the metabolic cooperation between neurons and astrocytes, but also in the context of the glial modulation of neuronal activity. - Par rapport à son volume, le cerveau utilise une quantité massive de glucose comme source d'énergie. De plus, la consommation d'équivalents énergétiques est étroitement liée au niveau d'activité synaptique. Il a été montré que dans ce couplage neurométabolique, un rôle central est joué par les astrocytes. Ces cellules fournissent le lactate, un substrat métabolique, aux neurones de manière adaptée à leur activité glutamatergique. Plus précisément, le glutamate libéré dans la fente synaptique par les neurones, est récupéré par les astrocytes et déclenche ainsi une cascade d'événements intracellulaires qui conduit à la production et libération de lactate. Les travaux de cette thèse ont visé à étudier la relation métabolique et fonctionnelle entre neurones et astrocytes, avec une attention particulière pour des rôles que pourrait avoir le lactate au-delà de sa fonction métabolique. Pour étudier les aspects spatio-temporels de ces interactions dynamiques, nous avons utilisé à la fois la microscopie optique associée à des indicateurs fluorescents spécifiques, ainsi que l'électrophysiologie. Dans la première partie de cette thèse, nous montrons que le lactate diminue l'activité neuronale spontanée de façon concentration-dépendante et indépendamment de son métabolisme. Nous avons identifié l'implication d'un récepteur neuronal au lactate qui sous-tend ce mécanisme de régulation. La découverte de cette signalisation via le lactate constitue un mode d'interaction supplémentaire et nouveau entre neurones et astrocytes. Dans la deuxième partie, nous avons caractérisé un outil pharmacologique, un inhibiteur des transporteurs du glutamate à haute affinité. Le but de cette étude était d'obtenir un agent pharmacologique capable d'interrompre spécifiquement le signal médié par le glutamate entre neurones et astrocytes pouvant permettre de mieux comprendre leur relation. En conclusion, ces études ont une implication non seulement pour la compréhension de la coopération entre neurones et astrocytes mais aussi dans le contexte de la modulation de l'activité neuronale par les cellules gliales.

Neuroprotection in cerebral ischemia : an effect of c-Jun N-terminal kinase inhibition on the inflammatory response

RESUMESuite à un accident vasculaire cérébral (AVC) ischémique, les cellules gliales ducerveau deviennent activées, de nombreuses cellules inflammatoires pénètrent dans letissu lésé et sécrètent une grande variété de cytokines et chémokines. Aujourd'hui, ilexiste des interrogations sur les effets bénéfiques ou délétères de cette inflammation surla taille de la lésion et le pronostic neurologique.Ce projet vise à évaluer l'effet d'un peptide neuroprotecteur, D-JNKI1, inhibiteur de lavoie pro-apoptotique de signalisation intracellulaire c-Jun N-terminal kinase (JNK), surl'inflammation post-ischémique.Nous montrons d'abord que la microglie est largement activée dans toute la région lésée48 h après l'induction d'une ischémie chez la souris. Cependant, malgré l'inhibition dela mort neuronale par D-JNKI1 évaluée à 48 h, nous n'observons de modification ni del'activation de la microglie, ni de son nombre. Ensuite, nous montrons que le cerveaupeut être protégé même s'il y a une augmentation massive de la sécrétion de médiateursinflammatoires dans la circulation systémique très tôt après induction d'un AVCischémique. De plus, nous notons que la sécrétion de molécules inflammatoires dans lecerveau n'est pas différente entre les animaux traités par D-JNKI1 ou une solutionsaline, bien que nous ayons obtenu une neuroprotection significative chez les animauxtraités.En conclusion, nous montrons que l'inhibition de la voie de JNK par D-JNKI1n'influence pas directement l'inflammation post-ischémique. Ceci suggère quel'inhibition de l'inflammation n'est pas forcément nécessaire pour obtenir en hautdegré de neuroprotection du parenchyme lésé après ischémie cérébrale, et que lesmécanismes inflammatoires déclenchés lors d'une ischémie cérébrale ne sont pasforcément délétères pour la récupération du tissu endommagé.SUMMARYAfter cerebral ischemia, glial cells become activated and numerous inflammatory cellsinfiltrate the site of the lesion, secreting a large variety of cytokines and chemokines. Itis controversial whether this brain inflammation is detrimental or beneficial and how itinfluences lesion size and neurological outcome.This project was aimed at critically evaluating whether the neuroprotective peptide DJNKI,an inhibitor of the pro-apopotic c-Jun N-terminal kinase (JNK) pathway,modulates post-ischemic inflammation in animal models of stroke. Specifically, it wasasked whether JNK inhibition prevents microglial activation and the release ofinflammatory mediators.In the first part of this study, we showed that microglia was activated throughout thelesion 48 h after experimental stroke. However, the activation and accumulation ofmicroglia was not reduced by D-JNKI1, despite a significant reduction of the lesionsize. In the second part of this project, we demonstrated that neuroprotection measuredat 48 h occurs even though inflammatory mediators are released in the plasma veryearly after the onset of cerebral ischemia. Furthermore, we found that secretion ofinflammatory mediators in the brain was not different in groups treated with D-JNKI1or not, despite a significant reduction of the lesion size in the treated group.Altogether, we show that inhibition of the JNK pathway using D-JNKI1 does notinfluence directly post-stroke inflammation. Inhibition of inflammation is therefore notnecessarily required for neuroprotection after cerebral ischemia. Thus, post-strokeinflammation might not be detrimental for the tissue recovery.

Involvement of PPARβ/δ in mesenchymal-epidermal interactions during skin wound healing

SUMMARY : Skin wound repair is a complex and highly coordinated process, where a variety of cell types unite to regenerate the damaged tissue. Several works have elucidated cellular and molecular mechanisms, in which mesenchymal-epidermal interactions play an essential role for the regulation of skin homeostasis and repair. Peroxisome Proliferator-Activated Receptors (PPARs) are ligand-activated transcription factors that belong to the nuclear receptor superfamily. Three related isotypes (PPARα, PPARß/δ and PPARγ) have been found, which exhibit distinct tissue distribution and specific physiological functions. PPARß/δ was identified as a crucial player of skin homeostasis. In the mouse skin, PPARß/δ has been described to control proliferation-differentiation state, adhesion and migration, and survival of the keratinocytes during healing. PPARß/δ has been implicated as well in the development of the hair follicles, in which mesenchymal-secreted hepatocyte growth factor (HGF) is involved. These data suggest that the biological activity of PPARß/δ is modulated by mesenchymal-epidermal interactions and that, in turn, PPARß/δ also modulates some of these signals. The aim of the present work was to elucidate the nature of the signals exchanged between the epidermis and dermis compartments, and more particularly those which are under the control of PPARß/δ. In the first part of the study, we showed that PPARß/8 in dermal fibroblasts down-regulates the mitotic activity of keratinocytes by inhibiting the IL-1 signalling pathway via the production of secreted IL-1 receptor antagonist (sIL-1Ra), a natural antagonist of this signalling. The regulation of IL-1 signalling by PPARß/δ is required for anon-pathological skin wound repair. These findings provide evidence for a novel homeostatic control of keratinocyte proliferation and differentiation mediated by the regulation of IL-1 signalling via dermal PPARß/δ fibroblasts. Proteolysis of the extracellular matrix (ECM) is a key process involved in wound repair and modifications in its activity are often associated with an alteration óf the wound closure. This process implies specific proteinases, as matrix metalloproteinases (MMPs), which are finely modulated by IL-1 signalling. In line with the first results, the second part of the work showed that MMP8 and MMP13, which are two important collagenases involved in mouse skin wound repair, are regulated by PPARß/δ. Their expression is indirectly down-regulated by dermal PPARß/δ, via the production of sIL-1Ra, resulting in the inhibition of IL-1 signalling, known to regulate the expression of numerous MMPs. We suggest that, in absence of PPARß/δ, the positive regulation of these two collagenases could participate to the delay of skin wound healing, which has been observed in mice deleted for PPARßlS. The potential therapeutic role of PPARß/b could be as well extending to inflammatory and hyperproliferative skin diseases involving IL-1 signalling, such as psoriasis or skin cancers. Quite interestingly, MMP1 (analogue of mouse MMP13) plays an essential role in human photoaging, suggesting that PPARß/δ could as well be an attractive target for photoprotection. RESUME : La cicatrisation est un processus complexe et extrêmement organisé, impliquant un grand nombre de cellules qui s'unissent pour régénérer le tissu endommagé. De nombreux travaux nous ont éclairés sur les mécanismes cellulaires et moléculaires, dans lesquels les interactions épidermo-mésenchymateuses détiennent un rôle capital à la fois dans la régulation de l'homéostasie et dans la réparation de la peau. PPAR (Peroxisome proliferatar-activated receptor), qui appartient à la superfamille des récepteurs nucléaires, se définit comme un facteur de transcription activé par des ligands très spécifiques. Trois isotypes (PPARa, PPARß/δ et PPARy) ont été décrits et sont caractérisés par une distribution tissulaire et des fonctions physiologiques clairement définies. PPARß/δ a été identifié comme étant un important acteur dans l'homéostasie de la peau. Chez la souris, il a été décrit comme contrôlant l'état de prolifération et de différenciation, le processus d'adhésion et de migration, ainsi que la survie des kératinocytes au cours de la cicatrisation. PPARßIS a également été défini comme contrôlant le développement des follicules pileux, impliquant la sécrétion par le mésenchyme du facteur de croissance HGF. Ces données suggèrent que l'activité biologique de PPARß/δ est modulée par des interactions épidermo-mésenchymateuses, et qu'en retour, il possède la capacité de moduler certains de ces signaux. L`objectif de ce travail a été d'élucider la nature des signaux échangés entre les compartiments épidermique et dermique, et plus particulièrement ceux qui sont sous le contrôle de PPARß/δ. Dans la première partie de l'étude, nous avons montré que les fibroblastes exprimant PPARß/δ réduisent l'activité mitotique des kératinocytes en inhibant la voie de signalisation IL-1, via la production de sIL-1Ra (secreted IL-1 receptor antagonist), défini comme un antagoniste naturel de cette voie de signalisation. La régulation de cette dernière par PPARß/δ est donc nécessaire pour une cicatrisation de type non pathologique. Ces résultats offrent donc une nouvelle preuve du contrôle de l'homéostasie et de l'état de prolifération/différenciation des kératinocytes par les fibroblastes exprimant PPARß/δ, en régulant la voie de signalisation IL-1. Le mécanisme de dégradation de la matrice extracellulaire (MEC) est une étape essentielle lors du processus de cicatrisation. Ainsi des modifications de cette activité protéolytïque sont souvent associées à une altération de la fermeture de la plaie. Ce processus implique des protéinases, comme les MMPs, qui sont finement modulés par la voie de signalisation IL-1. En accord avec les premiers résultats, la seconde partie des nos travaux a montré que les collagénases MMP8 et MMP13, connues pour être d'importantes molécules impliquées lors de la réparation tissulaire chez la souris, sont modulées par l'activité de PPARß/δ. Leurs expressions sont indirectement régulées par PPARß/δ, via la production. de sIL-1 Ra, entraînant ainsi l'inhibition de la voie de signalisation IL-1, décrite pour réguler l'expression de nombreuses MMPs, Nous suggérons donc qu'en absence de PPARß/δ, la régulation de ces deux collagénases pourrait être impliquée dans le retard de cicatrisation, observé chez les souris déficientes pour PPARß/δ. L'activité biologique de PPARß/δ pourrait être ainsi étendue à des maladies hyperproliferatives et inflammatoires de la peau, impliquant la voie de signalisation IL-1, comme le psoriasis ou certains cancers de la peau, et ce à des fins thérapeutiques. Il est aussi intéressant de relever que chez l'homme, MMP1 (présenté comme l'analogue de MMP13 de la souris} joue un rôle primordial dans le photo-vieillissement, nous suggérons donc que PPARß/δ pourrait ainsi être une cible attrayante concernant la photoprotection.

Dibenzofuran degradation by Sphingomonas wittichii RW1 under environmental stresses

Sphingomonas wittichii is a gram-negative Alpha-proteobacterium, capable of degrading xenobiotic compounds such as dibenzofuran (DBF), dibenzo-p-dioxin, carbazole, 2-hydroxybiphenyl or nitro diphenyl ether herbicides. The metabolism of strain RW1 has been the subject of previous studies and a number of genes involved in DBF degradation have been characterized. It is known that RW1 posseses a unique initial DBF dioxygenase (encoded by the dxnAl gene) that catalyzes the first step in the degradation pathway. None of the organisms known to be able to degrade DBF have a similar dioxygenase, the closest match being the DBF dioxygenase from Rhodococcus sp. with an overall amino acid similarity of 45%. Genes participating in the conversion of the metabolite salicylate via the ortho-cleavage pathway to TCA cycle intermediates were identified as well. Apart from this scarce information, however, there is a lack of global knowledge on the genes that are involved in DBF degradation by strain RW1 and the influence of environmental stresses on DBF-dependent global gene expression. A global analysis is necessary, because it may help to better understand the behaviour of the strain under field conditions and suggest improvements for the current bioaugmentation practice. Chapter 2 describes the results of whole-genome analysis to characterize the genes involved in DBF degradation by RW1. Micro-array analysis allowed us to detect differences in gene transcription when strain RW1 was exposed to DBF. This was complemented by ultra-high throughput sequencing of mutants no longer capable of growing on salicylate and DBF. Some of the genes of the ortho-cleavage pathway were induced 2 to 4 times in the presence of DBF, as well as the initial DBF dioxygenase. However two gene clusters, named 4925 and 5102 were induced up to 19 times in response to DBF induction. The cluster 4925 is putatively participating in a meta-cleavage pathway while the cluster 5102 might be part of a gentisate pathway. The three pathways, ortho-cleavage, meta-cleavage and gentisate pathway seem to be active in parallel when strain RW1 is exposed to DBF, presenting evidence for a redundancy of genes for DBF degradation in the genome of RW1. Chapter 3 focuses on exploiting genetic tools to construct bioreporters representative for DBF degradation in RW1. A set of basic tools for genetic manipulation in Sphingomonas wittichii RW1 was tested and optimized. Both plasmids and mini-transposons were evaluated for their ability to be maintained in RW1 with or without antibiotic selection pressure, and for their ability to lead to fluorescent protein expression in strain RW1 from a constitutive promoter. Putative promoter regions of three of the previously found DBF-induced genes (Swit_4925, Swit_5102 and Swit_4897-dxnAl) were then used to construct eg/^-bioreporters in RW1. Chapter 4 describes the use of the constructed RW1-based bioreporter strains for examining the expression of the DBF degradation pathway genes under microcosm conditions. The bioreporter strains were first exposed to different carbon sources in liquid culture to calibrate the egfp induction. Contrary to our expectations from micro-array analysis only the construct with the promoter from gene cluster 4925 responded to DBF, whereas the other two constructs did not show specific induction with DBF. The response from the bioreporters was subsequently tested for sensitivity to water stress, given that this could have an important impact in soils. Exposure to liquid cultures with decreasing water potential, achieved by NaCl or PEG addition to the growth media, showed that eGFP expression in RW1 from the promoter regions 4925 and 5102 was not directly influenced by water stress, but only through an overall reduction in growth rate. In contrast, expression of eGFP from the dxnAl or an uspA promoter was also directly dependent on the extent of water stress. The RW1 with the 4925 construct was subsequently used in soil microcosms to evaluate DBF bioavailability to the cells in presence or absence of native microbiota or other contaminated material. We found that RW1 could grow on DBF added to soil, but bioreporter expression suggested that competition with native microbiota for DBF intermediates may limit its ability to proliferate to a maximum. Chapter 5 describes the results from the experiments carried out to more specifically detect genes of RW1 that might be implicated in water stress resistance. Hereto we created transposon mutagenesis libraries in RW1, either with a classical mini-Tn5 or with a variant that would express egfp when the transposon would insert in a gene induced under water stress. Classical mutant libraries were screened by replica plating under high and low water stress conditions (achieved by adding NaCl to the agar medium). In addition, we screened for smaller microcolonies formed by mutants in agarose beads that could be analized with flow cytometry. A number of mutants impaired to grow on NaCl-supplemented media were recovered and the transposon insertion sites sequenced. In a second procedure we screened by flow cytometry for mutants with a higher eGFP production after exposure to growth medium with higher NaCl concentrations. Mutants from both libraries rarely overlapped. Discovered gene functions of the transposon insertions pointed to compatible solute synthesis (glutamate and proline), cell membrane synthesis and modification of cell membrane composition. The results obtained in the present study give us a more complete picture of the mechanisms of DBF degradation by S. wittichii RW1, how it reacts to different DBF availability and how the DBF catabolic activity may be affected by the conditions found in contaminated environments. - Sphingomonas wittichii est une alpha-protéobactérie gram-négative, capable de dégrader des composés xénobiotiques tels que le dibenzofurane (DBF), la dibenzo-p-dioxine, le carbazole, le 2-hydroxybiphényle ou les herbicides dérivés du nitro-diphényléther. Le métabolisme de la souche RW1 a fait l'objet d'études antérieures et un certain nombre de gènes impliqués dans la dégradation du DBF ont été caractérisés. Il est connu que RW1 possède une unique dioxygénase DBF initiale (codée par le gène dxnAl) qui catalyse la première étape de la voie de dégradation. Aucun des organismes connus pour être capables de dégrader le DBF n'a de dioxygénase similaire. L'enzyme la plus proche étant la DBF dioxygénase de Rhodococcus sp. avec 45% d'acides aminés conservés. Les gènes qui participent à la transformation du salicylate en métabolites intermédiaires du cycle de Krebs par la voie ort/io-cleavage ont aussi été identifiés. Outre ces informations lacunaires, il y a un manque de connaissances sur l'ensemble des gènes impliqués dans la dégradation du DBF par la souche RW1 ainsi que l'effet des stress environnementaux sur l'expression génétique globale, en présence du DBF. Une analyse globale est nécessaire, car elle peut aider à mieux comprendre le comportement de la souche dans les conditions de terrain et de proposer des améliorations pour l'utilisation de la bio-augmentation comme technique de bio-remédiation. Le chapitre 2 décrit les résultats de l'analyse du génome pour caractériser les gènes impliqués dans la dégradation du DBF par RW1. Une analyse de micro-arrays nous a permis de détecter des différences dans la transcription des gènes lorsque la souche RW1 a été exposée au DBF. L'analyse a été complétée par le criblage à ultra-haut débit de mutants qui n'étaient plus capables de croître avec le salicylate ou le DBF comme seule source de carbone. Certains des gènes de la voie ortho-cleavage, dont la DBF dioxygénase initiale, ont xî été induits 2 à 4 fois, en présence du DBF. Cependant, deux groupes de gènes, nommés 4925 et 5102 ont été induits jusqu'à 19 fois en réponse au DBF. Le cluster 4925 participe probablement dans une voie de meta-cleavage tandis que le cluster 5102 pourrait faire partie d'une voie du gentisate. Les trois voies, ortho-cleavage, meta-cleavage et la voie du gentisate semblent être activées en parallèle lorsque la souche RW1 est exposée au DBF, ce qui représente une redondance de voies pour la dégradation du DBF dans le génome de RW1. Le chapitre 3 se concentre sur l'exploitation des outils génétiques pour la construction de biorapporteurs de la dégradation du DBF par RW1. Un ensemble d'outils de base pour la manipulation génétique dans Sphingomonas wittichii RW1 a été testé et optimisé. Deux plasmides et mini-transposons ont été évalués pour leur capacité à être maintenu dans RW1 avec ou sans pression de sélection par des antibiotiques, et pour leur capacité à exprimer la protéine fluorescente verte (eGFP) dans la souche RW1. Les trois promoteurs des gènes Swit_4925, Swit_5102 et Swit_4897 (dxnAl), induits en réponse au DBF, ont ensuite été utilisés pour construire des biorapporteurs dans RW1. Le chapitre 4 décrit l'utilisation des souches biorapportrices construites pour l'analyse de l'expression des gènes de la voie de dégradation du DBF dans des microcosmes avec différents types de sols. Les souches biorapportrices ont d'abord été exposées à différentes sources de carbone en cultures liquides afin de calibrer l'induction de la eGFP. La construction avec le promoteur du gène 4925 a permis une réponse au DBF. Mais contrairement à nos attentes, basées sur les résultats de l'analyse des micro-arrays, les deux autres constructions n'ont pas montré d'induction spécifique au DBF. La réponse des biorapporteurs a ensuite été testée pour la sensibilité au stress hydrique, étant donné que cela pourrait avoir un impact important dans les microcosmes. La diminution du potentiel hydrique en culture liquide est obtenue par addition de NaCl ou de PEG au milieu de croissance. Nous avons montré que l'expression de la eGFP contrôlée par les promoteurs 4925 et 5102 n'était pas directement influencée par le stress hydrique, mais seulement par une réduction globale des taux de croissance. En revanche, l'expression de la eGFP dépendante des promoteurs dxnAl et uspA était aussi directement dépendante de l'ampleur du stress hydrique. La souche avec la construction 4925 a été utilisée par la suite dans des microcosmes avec différents types de sols pour évaluer la biodisponibilité du DBF en présence ou absence des microbes indigènes et d'autres composés contaminants. Nous avons constaté que RW1 pouvait se développer si le DBF a été ajouté au sol, mais l'expression de la eGFP par le biorapporteur suggère que la compétition avec la microbiota indigène pour les métabolites intermédiaires du DBF peut limiter sa capacité à proliférer de manière optimale. Le chapitre 5 décrit les résultats des expériences réalisées afin de détecter spécifiquement les gènes de RW1 qui pourraient être impliquées dans la résistance au stress hydrique. Ici on a crée des bibliothèques de mutants de RW1 par transposon, soit avec un mini-Tn5 classique ou avec une variante qui exprime la eGFP lorsque le transposon s'insère dans un gène induit par le stress hydrique. Les bibliothèques de mutants ont été criblées par la méthode classique de repiquage sur boîtes, dans des conditions de stress hydrique élevé (obtenu par l'addition de NaCl dans les boîtes). En outre, nous avons criblé des micro¬colonies dans des billes d'agarose qui ont pu être analysées par cytométrie de flux. Un certain nombre de mutants déficients à croître sur des milieux supplémentés avec du NaCl ont été isolés et les sites d'insertion du transposon séquencés. Dans une deuxième procédure nous avons criblé par cytométrie de flux des mutants avec une production de eGFP supérieure, après exposition à un milieu de croissance avec une concentration élevée de NaCl. Les mutants obtenus dans les deux bibliothèques n'étaient pas similaires. Les fonctions des gènes où se trouvent les insertions de transposons sont impliqués dans la synthèse de solutés compatibles (glutamate et de la proline), dans la synthèse de la membrane cellulaire et dans la modification de la composition de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus dans la présente étude nous donnent une image plus complète des mécanismes de dégradation du DBF par S. wittichii RW1, comment cette souche réagit à la disponibilité du DBF et comment l'activité catabolique peut être affectée par les conditions rencontrées dans des environnements contaminés.