Genome-wide transcriptional responses to shade: Linking shade avoidance and auxin

Plants have the ability to use the composition of incident light as a cue to adapt development and growth to their environment. Arabidopsis thaliana as well as many crops are best adapted to sunny habitats. When subjected to shade, these plants exhibit a variety of physiological responses collectively called shade avoidance syndrome (SAS). It includes increased growth of hypocotyl and petioles, decreased growth rate of cotyledons and reduced branching and crop yield. These responses are mainly mediated by phytochrome photoreceptors, which exist either in an active, far-red light (FR) absorbing or an inactive, red light (R) absorbing isoform. In direct sunlight, the R to FR light (R/FR) ratio is high and converts the phytochromes into their physiologically active state. The phytochromes interact with downstream transcription factors such as PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR (PIF), which are subsequently degraded. Light filtered through a canopy is strongly depleted in R, which result in a low R/FR ratio and renders the phytochromes inactive. Protein levels of downstream transcription factors are stabilized, which initiates the expression of shade-induced genes such as HFR1, PIL1 or ATHB-2. In my thesis, I investigated transcriptional responses mediated by the SAS in whole Arabidopsis seedlings. Using microarray and chromatin immunoprecipitation data, we identified genome-wide PIF4 and PIF5 dependent shade regulated gene as well as putative direct target genes of PIF5. This revealed evidence for a direct regulatory link between phytochrome signaling and the growth promoting phytohormone auxin (IAA) at the level of biosynthesis, transport and signaling. Subsequently, it was shown, that free-IAA levels are upregulated in response to shade. It is assumed that shade-induced auxin production takes predominantly place in cotyledons of seedlings. This implies, that IAA is subsequently transported basipetally to the hypocotyl and enhances elongation growth. The importance of auxin transport for growth responses has been established by chemical and genetic approaches. To gain a better understanding of spatio-temporal transcriptional regulation of shade-induce auxin, I generated in a second project, an organ specific high throughput data focusing on cotyledon and hypocotyl of young Arabidopsis seedlings. Interestingly, both organs show an opposite growth regulation by shade. I first investigated the spatio-transcriptional regulation of auxin re- sponsive gene, in order to determine how broad gene expression pattern can be explained by the hypothesized movement of auxin from cotyledons to hypocotyls in shade. The analysis suggests, that several genes are indeed regulated according to our prediction and others are regulated in a more complex manner. In addition, analysis of gene families of auxin biosynthetic and transport components, lead to the identification of essential family members for shade-induced growth re- sponses, which were subsequently experimentally confirmed. Finally, the analysis of expression pattern identified several candidate genes, which possibly explain aspects of the opposite growth response of the different organs.

Morph-specific genetic and environmental variation in innate and acquired immune response in a color polymorphic raptor.

Genetic color polymorphism is widespread in nature. There is an increasing interest in understanding the adaptive value of heritable color variation and trade-off resolution by differently colored individuals. Melanin-based pigmentation is often associated with variation in many different life history traits. These associations have recently been suggested to be the outcome of pleiotropic effects of the melanocortin system. Although pharmacological research supports that MC1R, a gene with a major role in vertebrate pigmentation, has important immunomodulatory effects, evidence regarding pleiotropy at MC1R in natural populations is still under debate. We experimentally assessed whether MC1R-based pigmentation covaries with both inflammatory and humoral immune responses in the color polymorphic Eleonora's falcon. By means of a cross-fostering experiment, we disentangled potential genetic effects from environmental effects on the covariation between coloration and immunity. Variation in both immune responses was primarily due to genetic factors via the nestlings' MC1R-related color genotype/phenotype, although environmental effects via the color morph of the foster father also had an influence. Overall, dark nestlings had lower immune responses than pale ones. The effect of the color morph of the foster father was also high, but in the opposite direction, and nestlings raised by dark eumelanic foster fathers had higher immune responses than those raised by pale foster fathers. Although we cannot completely discard alternative explanations, our results suggest that MC1R might influence immunity in this species. Morph-specific variation in immunity as well as pathogen pressure may therefore contribute to the long-term maintenance of genetic color polymorphism in natural populations.

The systemic control of circadian gene expression.

The mammalian circadian timing system consists of a central pacemaker in the brain's suprachiasmatic nucleus (SCN) and subsidiary oscillators in nearly all body cells. The SCN clock, which is adjusted to geophysical time by the photoperiod, synchronizes peripheral clocks through a wide variety of systemic cues. The latter include signals depending on feeding cycles, glucocorticoid hormones, rhythmic blood-borne signals eliciting daily changes in actin dynamics and serum response factor (SRF) activity, and sensors of body temperature rhythms, such as heat shock transcription factors and the cold-inducible RNA-binding protein CIRP. To study these systemic signalling pathways, we designed and engineered a novel, highly photosensitive apparatus, dubbed RT-Biolumicorder. This device enables us to record circadian luciferase reporter gene expression in the liver and other organs of freely moving mice over months in real time. Owing to the multitude of systemic signalling pathway involved in the phase resetting of peripheral clocks the disruption of any particular one has only minor effects on the steady state phase of circadian gene expression in organs such as the liver. Nonetheless, the implication of specific pathways in the synchronization of clock gene expression can readily be assessed by monitoring the phase-shifting kinetics using the RT-Biolumicorder.

HIF-driven SF3B1 induces KHK-C to enforce fructolysis and heart disease.

Fructose is a major component of dietary sugar and its overconsumption exacerbates key pathological features of metabolic syndrome. The central fructose-metabolising enzyme is ketohexokinase (KHK), which exists in two isoforms: KHK-A and KHK-C, generated through mutually exclusive alternative splicing of KHK pre-mRNAs. KHK-C displays superior affinity for fructose compared with KHK-A and is produced primarily in the liver, thus restricting fructose metabolism almost exclusively to this organ. Here we show that myocardial hypoxia actuates fructose metabolism in human and mouse models of pathological cardiac hypertrophy through hypoxia-inducible factor 1α (HIF1α) activation of SF3B1 and SF3B1-mediated splice switching of KHK-A to KHK-C. Heart-specific depletion of SF3B1 or genetic ablation of Khk, but not Khk-A alone, in mice, suppresses pathological stress-induced fructose metabolism, growth and contractile dysfunction, thus defining signalling components and molecular underpinnings of a fructose metabolism regulatory system crucial for pathological growth.

Characterization of local and systemic immune-modulation in melanoma patients

Le mélanome cutané est un des cancers les plus agressifs et dont l'incidence augmente le plus en Suisse. Une fois métastatique, le pronostic de survie moyenne avec les thérapies actuelles est d'environ huit mois, avec moins de 5% de survie à cinq ans. Les récents progrès effectués dans la compréhension de la biologie de la cellule tumorale mais surtout dans l'importance du système immunitaire dans le contrôle de ce cancer ont permis le développement de nouveaux traitements novateurs et prometteurs. Ces thérapies, appelées immunothérapies, reposent sur la stimulation et l'augmentation de la réponse immunitaire à la tumeur. Alors que les derniers essais cliniques ont démontré l'efficacité de ces traitements chez les patients avec des stades avancés de la maladie, le contrôle de la maladie à long- terme est seulement atteint chez une minorité des patients. La suppression locale et systémique de la réponse immunitaire spécifique anti-tumorale apparaitrait comme une des raisons expliquant la persistance d'un mauvais pronostic clinique chez ces patients. Des études sur les souris ont montré que les vaisseaux lymphatiques joueraient un rôle primordial dans ce processus en induisant une tolérance immune, ce qui permettrait à la tumeur d'échapper au contrôle du système immunitaire et métastatiser plus facilement. Ces excitantes découvertes n'ont pas encore été établi et prouvé chez l'homme. Dans cette thèse, nous montrons pour la première fois que les vaisseaux lymphatiques sont directement impliqués dans la modulation de la réponse immunitaire au niveau local et systémique dans le mélanome chez l'homme. Ces récentes découvertes montrent le potentiel de combiner des thérapies visant le système lymphatique avec les immunothérapies actuellement utilisées afin d'améliorer le pronostic des patients atteint du mélanome. -- Cutaneous melanoma is one of the most invasive and metastatic human cancers and causes 75% of skin cancer mortality. Current therapies such as surgery and chemotherapy fail to control metastatic disease, and relapse occurs frequently due to microscopic residual lesions. It is, thus, essential to develop and optimize novel therapeutic strategies to improve curative responses in these patients. In recent decades, tumor immunologists have revealed the development of spontaneous adaptive immune responses in melanoma patients, leading to the accumulation of highly differentiated tumor-specific T cells at the tumor site. This remains one of the most powerful prognostic markers to date. Immunotherapies that augment the natural function of these tumor-specific T cells have since emerged as highly attractive therapeutic approaches to eliminate melanoma cells. While recent clinical trials have demonstrated great progress in the treatment of advanced stage melanoma, long-term disease control is still only achieved in a minority of patients. Local and systemic immune suppression by the tumor appears to be responsible, in part, for this poor clinical evolution. These facts underscore the need for a better analysis and characterization of immune- related pathways within the tumor microenvironment (TME), as well as at the systemic level. The overall goal of this thesis is, thus, to obtain greater insight into the complexity and heterogeneity of the TME in human melanoma, as well as to investigate immune modulation beyond the TME, which ultimately influences the immune system throughout the whole body. To achieve this, we established two main objectives: to precisely characterize local and systemic immune modulation (i) in untreated melanoma patients and (ii) in patients undergoing peptide vaccination or checkpoint blockade therapy with anti-cytotoxic T- lymphocyte-asisctaed protein-4 (CTLA-4) antibody. In the first and main part of this thesis, we analyzed lymphatic vessels in relation to anti-tumor immune responses in tissues from vaccinated patients using a combination of immunohistochemistry (IHC) techniques, whole slide scanning/analysis, and an automatic quantification system. Strikingly, we found that increased lymphatic vessel density was associated with high expression of immune suppressive molecules, low functionality of tumor-infiltrating CD8+ T cells and decreased cytokine production by tumor-antigen specific CD8+ T cells in the blood. These data revealed a previously unappreciated local and systemic role of lymphangiogenesis in modulating T cell responses in human cancer and support the use of therapies that target lymphatic vessels combined with existing and future T cell based therapies. In the second objective, we describe a metastatic melanoma patient who developed pulmonary sarcoid-like granulomatosis following repetitive vaccination with peptides and CpG. We demonstrated that the onset of this pulmonary autoimmune adverse event was related to the development of a strong and long-lasting tumor-specific CD8+ T cell response. This constitutes the first demonstration that a new generation tumor vaccine can induce the development of autoimmune adverse events. In the third objective, we assessed the use of Fourier Transform Infrared (FTIR) imaging to identify melanoma cells and lymphocyte subpopulations in lymph node (LN) metastasis tissues, thanks to a fruitful collaboration with researchers in Brussels. We demonstrated that the different cell types in metastatic LNs have different infrared spectral features allowing automated identification of these cells. This technic is therefore capable of distinguishing known and novel biological features in human tissues and has, therefore, significant potential as a tool for histopathological diagnosis and biomarker assessment. Finally, in the fourth objective, we investigated the role of colony- stimulating factor-1 (CSF-1) in modulating the anti-tumor response in ipilimumab-treated patients using IHC and in vitro co-cultures, revealing that melanoma cells produce CSF-1 via CTL-derived cytokines when attacked by cytotoxic T lymphocytes (CTLs), resulting in the recruitment of immunosuppressive monocytes. These findings support the combined use of CSF-1R blockade with T cell based immunotherapy for melanoma patients. Taken together, our results reveal the existence of novel mechanisms of immune modulation and thus promote the optimization of combination immunotherapies against melanoma. -- Le mélanome cutané est un des cancers humains les plus invasifs et métastatiques et est responsable de 75% de la mortalité liée aux cancers de la peau. Les thérapies comme la chirurgie et la chimiothérapie ont échoué à contrôler le mélanome métastatique, par ailleurs les rechutes sous ces traitements ont été montrées fréquentes. Il est donc essentiel de développer et d'optimiser de nouvelles stratégies thérapeutiques pour améliorer les réponses thérapeutiques de ces patients. Durant les dernières décennies, les immunologistes spécialisés dans les tumeurs ont démontré qu'un patient atteint du mélanome pouvait développer spontanément une réponse immune adaptative à sa tumeur et que l'accumulation de cellules T spécifiques tumorales au sein même de la tumeur était un des plus puissants facteurs pronostiques. Les immunothérapies qui ont pour but d'augmenter les fonctions naturelles de ces cellules T spécifiques tumorales ont donc émergé comme des approches thérapeutiques très attractives pour éliminer les cellules du mélanome. Alors que les derniers essais cliniques ont démontré un progrès important dans le traitement des formes avancées du mélanome, le contrôle de la maladie à long-terme est seulement atteint chez une minorité des patients. La suppression immune locale et systémique apparaitrait comme une des raisons expliquant la persistance d'un mauvais pronostic clinique chez ces patients. Ces considérations soulignent la nécessité de mieux analyser et caractériser les voies immunitaires non seulement au niveau local dans le microenvironement tumoral mais aussi au niveau systémique dans le sang des patients. Le but de cette thèse est d'obtenir une plus grande connaissance de la complexité et de l'hétérogénéité du microenvironement tumoral dans les mélanomes mais aussi d'investiguer la modulation immunitaire au delà du microenvironement tumoral au niveau systémique. Afin d'atteindre ce but, nous avons établi deux objectifs principaux : caractériser précisément la modulation locale et systémique du système immunitaire (i) chez les patients atteints du mélanome qui n'ont pas reçu de traitement et (ii) chez les patients qui ont été traités soit par des vaccins soit par des thérapies qui bloquent les points de contrôles. Dans la première et majeure partie de cette thèse, nous avons analysé les vaisseaux lymphatiques en relation avec la réponse immunitaire anti-tumorale dans les tissus des patients vaccinés grâce à des techniques d'immunohistochimie et de quantification informatisé et automatique des marquages. Nous avons trouvé qu'une densité élevée de vaisseaux lymphatiques dans la tumeur était associée à une plus grande expression de molécules immunosuppressives ainsi qu'à une diminution de la fonctionnalité des cellules T spécifiques tumoral dans la tumeur et dans le sang des patients. Ces résultats révèlent un rôle jusqu'à là inconnu des vaisseaux lymphatiques dans la modulation directe du système immunitaire au niveau local et systémique dans les cancers de l'homme. Cette recherche apporte finalement des preuves du potentiel de combiner des thérapies visant le système lymphatique avec des autres immunothérapies déjà utilisées en clinique. Dans le second objectif, nous rapportons le cas d'un patient atteint d'un mélanome avec de multiples métastases qui a développé à la suite de plusieurs vaccinations répétées et consécutives avec des peptides et du CpG, un évènement indésirable sous la forme d'une granulomatose pulmonaire sarcoid-like. Nous avons démontré que l'apparition de cet évènement était intimement liée au développement d'une réponse immunitaire durable et spécifique contre les antigènes de la tumeur. Par là- même, nous prouvons pour la première fois que la nouvelle génération de vaccins est aussi capable d'induire des effets indésirables auto-immuns. Pour le troisième objectif, nous avons voulu savoir si l'utilisation de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) était capable d'identifier les cellules du mélanome ainsi que les différents sous-types cellulaires dans les ganglions métastatiques. Grâce à nos collaborateurs de Bruxelles, nous avons pu établir que les diverses composantes cellulaires des ganglions atteints par des métastases du mélanome présentaient des spectres infrarouges différents et qu'elles pouvaient être identifiées d'une façon automatique. Cette nouvelle technique permettrait donc de distinguer des caractéristiques biologiques connues ou nouvelles dans les tissus humains qui auraient des retombées pratiques importantes dans le diagnostic histopathologique et dans l'évaluation des biomarqueurs. Finalement dans le dernier objectif, nous avons investigué le rôle du facteur de stimulation des colonies (CSF-1) dans la modulation de la réponse immunitaire anti-tumorale chez les patients qui ont été traités par l'Ipilimumab. Nos expériences in vivo au niveau des tissus tumoraux et nos co-cultures in vitro nous ont permis de démontrer que les cytokines secrétées par les cellules T spécifiques anti-tumorales induisaient la sécrétion de CSF-1 dans les cellules du mélanome ce qui résultait en un recrutement de monocytes immunosuppresseurs. Dans son ensemble, cette thèse révèle donc l'existence de nouveaux mécanismes de modulation de la réponse immunitaire anti-tumorale et propose de nouvelles optimisations de combinaison d'immunothérapies contre le mélanome.