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.

Long-term cerebral plasticity-related gene expression : a study of the respective role of CBP and CRTC1 in CREB transcriptional activation

1.1 AbstractThe treatment of memory disorders and cognitive deficits in various forms of mental retardation may greatly benefit from a better understanding of the molecular and cellular mechanisms of memory formation. Different forms of memory have distinct molecular requirements.Short-term memory (STM) is thought to be mediated by covalent modifications of existing synaptic molecules, such as phosphorylation or dephosphorylation of enzymes, receptors or ion channels. In contrast, long-term memoiy (LTM) is thought to be mediated by growth of new synapses and restructuring of existing synapses. There is extensive evidence that changes in gene expression and de novo protein synthesis are key processes for LTM formation. In this context, the transcription factor CREB (cAMP-response element-binding protein) was shown to be crucial. Activation of CREB requires phosphorylation of a serine residue (Ser-133), and the subsequent recruitment of a coactivator called CREB-binding protein (CBP). Moreover, we have recently shown that another coactivator called CREB Regulated Transcription Coactivator 1 (CRTC1) functions as a calcium- and cAMP-sensitive coincidence detector in neurons, and is involved in hippocampal long-term synaptic plasticity. Given the importance of cAMP and calcium signaling for plasticity-related gene expression in neurons and in astrocytes, we sought to determine the respective involvement of the CREB coactivators CBP and CRTC1 in CREB-mediated transcription.We developed various strategies to selectively interfere with these CREB coactivators in mouse primary neurons and in astrocytes in vitro. However, despite several pieces of evidence implicating CBP and/or CRTC1 in the regulation of neuronal plasticity genes, we could not clearly determine the respective requirement of these coactivators for the activation of these genes. Nevertheless, we showed that calcineurin activity, which is important for CRTC1 nuclear translocation, is necessary for the expression of some CREB-regulated plasticity genes. We associated this phenomena to physiopathological conditions observed in Down's syndrome. In addition, we demonstrated that in astrocytes, noradrenaline stimulates CREB-target gene expression through β-adrenergic receptor activation, intracellular cAMP pathway activation, and CRTC-induced CREB transactivation.Defining the respective role of CREB and its coactivators CBP and CRTC1 in neuronal and astrocytic cultures in vitro sets the stage for future in vivo studies and for the possible development of new therapeutic strategies to improve the treatment of memoiy and cognitive disorders.1.2 RésuméUne meilleure connaissance des mécanismes moléculaires et cellulaires responsables de la formation de la mémoire pourrait grandement améliorer le traitement des troubles de la mémoire ainsi que des déficits cognitifs observés dans différentes formes de pathologies psychiatriques telles que le retard mental. Les différentes formes de mémoire dépendent de processus moléculaires différents.La mémoire à court terme (STM) semble prendre forme suite à des modifications covalentes de molécules synaptiques préexistantes, telles que la phosphorylation ou la déphosphorylation d'enzymes, de récepteurs ou de canaux ioniques. En revanche, la mémoire à long terme (LTM) semble être due à la génération de nouvelles synapses et à la restructuration des synapses existantes. De nombreuses études ont permis de démontrer que les changements dans l'expression des gènes et la synthèse de protéine de novo sont des processus clés pour la formation de la LTM. Dans ce contexte, le facteur de transcription CREB (cAMP-response element-binding protein) s'est avéré être un élément crucial. L'activation de CREB nécessite la phosphorylation d'un résidu sérine (Ser-133), et le recrutement d'un coactivateur nommé CBP (CREB binding protein). En outre, nous avons récemment démontré qu'un autre coactivateur de CREB nommé CRTC1 (CREB Regulated Transcription Coactivator 1) agit comme un détecteur de coïncidence de l'AMP cyclique (AMPc) et du calcium dans les neurones et qu'il est impliqué dans la formation de la plasticité synaptique à long terme dans l'hippocampe. Etant donné l'importance des voies de l'AMPc et du calcium dans l'expression des gènes impliqués dans la plasticité cérébrale, nous voulions déterminer le rôle respectif des coactivateurs de CREB, CBP et CRTC1.Nous avons développé diverses stratégies pour interférer de façon sélective avec les coactivateurs de CREB dans les neurones et dans les astrocytes chez la souris in vitro. Nos résultats indiquent que CBP et CRTC1 sont tous deux impliqués dans la transcription dépendante de CREB induite par l'AMPc et le calcium dans les neurones. Cependant, malgré plusieurs évidences impliquant CBP et/ou CRTC1 dans l'expression de gènes de plasticité neuronale, nous n'avons pas pu déterminer clairement leur nécessité respective pour l'activation de ces gènes. Toutefois, nous avons montré que l'activité de la calcineurine, dont dépend la translocation nucléaire de CRTC1, est nécessaire à l'expression de certains de ces gènes. Nous avons pu associer ce phénomène à une condition physiopathologique observée dans le syndrome de Down. Nous avons également montré que dans les astrocytes, la noradrénaline stimule l'expression de gènes cibles de CREB par une activation des récepteurs β- adrénergiques, l'activation de la voie de l'AMPc et la transactivation de CREB par les CRTCs.Définir le rôle respectif de CREB et de ses coactivateurs CBP et CRTC1 dans les neurones et dans les astrocytes in vitro permettra d'acquérir les connaissances nécessaires à de futures études in vivo et, à plus long terme d'éventuellement développer des stratégies thérapeutiques pour améliorer les traitements des troubles cognitifs.

New insights into the role of microRNAs in pancreatic ß-cell maturation and plasticity

Le diabète est une maladie chronique caractérisée par une élévation du taux de sucre dans le sang aussi appelé « glycémie » reflétant un état pathologique. L'élévation de la glycémie au long cours a des répercussions délétères sur nombreux de nos tissus et organes d'où l'apparition de complications sévères chez les sujets diabétiques pouvant atteindre les yeux, les reins, le système nerveux, le système cardiovasculaire et les membres inférieurs. La carence en une hormone essentielle à notre organisme, l'insuline, est au coeur du développement de la maladie. L'insuline induit la captation du glucose circulant dans le sang en excès suite à une prise alimentaire riche en glucides et favorise son utilisation et éventuellement son stockage dans les tissus tels que le foie, le tissu adipeux et les muscles. Ainsi, l'insuline est vitale pour réguler et maintenir stable notre niveau de glycémie. Les cellules bêta du pancréas sont les seules entités de notre corps capables de produire de l'insuline et une perte de fonctionnalité associée à leur destruction ont été mises en cause dans le processus pathologique du diabète de type 2. Cependant la pleine fonctionnalité et la maturation des cellules bêta n'apparaissent qu'après la naissance lorsque le pancréas en développement a atteint sa masse adulte définitive. Enfin, une fois la masse des cellules bêta définitive établie, leur nombre et volume restent relativement constants au cours de la vie adulte chez un sujet sain. Néanmoins, au cours de périodes critiques les besoins en insuline sont augmentés tel qu'observé chez les femmes enceintes et les personnes obèses qui ont une perte de sensibilité à l'insuline qui se traduit par la nécessité de sécréter plus d'insuline afin de maintenir une glycémie normale. Dans l'hypothèse où la compensation n'a pas lieu ou n'est pas aboutie, le diabète se développe. Le processus de maturation postnatale ainsi que les événements compensatoires sont donc des étapes essentielles et de nombreuses questions sont encore non résolues concernant l'identification des mécanismes les régulant. Parmi les acteurs potentiels figurent de petites molécules d'ARN découvertes récemment appelées microARNs et qui ont été rapidement suggérées très prometteuses dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans le cadre du diabète et d'autres pathologies. Les microARNs vont réguler l'expression de notre génome sans en modifier la séquence, phénomène également appelé épigénétique, ce qui résulte en des différences de comportement et de fonction cellulaires. Les microARNs sont donc susceptibles de jouer un rôle clé dans l'ensemble des processus biologiques et notre environnement associé à nos prédispositions génétiques peuvent grandement modifier leur niveau et donc leur action, qui à son tour se répercutera sur notre état physiologique. En effet nous avons identifié des changements de microARNs dans les cellules d'îlots pancréatiques de modèles animaux (rats et souris) associés à un état de résistance à l'insuline (grossesse et obésité). Par le biais d'expériences in vitro sur des cellules bêta extraites de rats et conservées en culture, nous avons pu analyser de plus près l'implication des microARNs dans la capacité des cellules bêta à sécréter de l'insuline mais aussi à se multiplier et à survivre au sein d'un environnement toxique. Ainsi, nous avons identifié des microARNs qui participent positivement à la compensation des cellules bêta, sous la direction d'hormones telles les estrogènes ou d'une hormone libérée par l'intestin au cours de la digestion (l'inerétine GLP1) et qui est largement utilisée comme agent thérapeutique dans la médication contre le diabète. Dans un second temps nous avons utilisé une stratégie similaire afin de déterminer le rôle de microARNs préalablement détectés comme étant changés au cours du développement postnatal des cellules bêta chez le rat. Cette étude a également mené à l'identification de microARNs participant à la maturation et à l'expansion de la masse des cellules bêta sous l'influence de la composition du régime alimentaire et des besoins en insuline adéquats qui en dépendent. Ces études apportent la vision de nouveaux mécanismes moléculaires impliquant les microARNs et démontrant leur importance pour le bon fonctionnement des cellules bêta et leur capacité d'adaptation à l'environnement. -- Les cellules bêta sont une composante des îlots pancréatiques de Langerhans et sont des cellules hautement différenciées qui ont l'unique capacité de sécréter de l'insuline sous l'influence des nutriments suite à une prise alimentaire. L'insuline facilite l'incorporation de glucose dans ses tissus cibles tels le foie, le tissu adipeux et les muscles. Bien que les besoins en insuline soient relativement constants au cours de la vie d'un individu sain, certaines conditions associées à un état de résistance à l'insuline, telles la grossesse ou l'obésité, requièrent une libération d'insuline majorée. En cas de résistance à l'insuline, une dysfonction des cellules bêta plus ou moins associée à leur mort cellulaire, conduisent à une sécrétion d'insuline insuffisante et au développement d'une hyperglycémie chronique, caractéristique du diabète de type 2. Jusqu'à présent, les mécanismes moléculaires sous- jacents à la compensation des cellules bêta ou encore menant à leur dysfonction restent peu connus. Découverts récemment, les petits ARNs non-codant appelés microARNs (miARNs), suscitent un intérêt grandissant de par leur potentiel thérapeutique pour la prise en charge et le traitement du diabète. Les miARNs sont de puissants régulateurs de l'expression génique qui lient directement le 3'UTR de leurs ARN messagers cibles afin d'inhiber leur traduction ou d'induire leur dégradation, ce qui leur permet de contrôler des fonctions biologiques multiples. Ainsi, nous avons pris pour hypothèse que les miARNs pourraient jouer un rôle essentiel en maintenant la fonction des cellules bêta et des processus compensatoires afin de prévenir le développement du diabète. Lors d'une première étude, une analyse transcriptomique a permis l'identification de miARNs différemment exprimés au sein d'îlots pancréatiques de rattes gestantes. Parmi eux, le miR-338-3p a démontré la capacité de promouvoir la prolifération et la survie des cellules bêta exposées à des acides gras saturés et des cytokines pro-inflammatoires, sans altérer leur propriété sécrétrice d'insuline. Nous avons également identifié deux hormones reconnues pour leurs propriétés bénéfiques pour la physiologie de la cellule bêta, l'estradiol et l'incrétine GLP1, qui régulent les niveaux du miR-338-3p. Ce miARN intègre parfaitement les voies de signalisation de ces deux hormones dépendantes de l'AMP cyclique, afin de contrôler l'expression de nombreux gènes conduisant à son action biologique. Dans un projet ultérieur, notre objectif était de déterminer la contribution de miARNs dans l'acquisition de l'identité fonctionnelle des cellules bêta en période postnatale. En effet, directement après la naissance les cellules bêta sont reconnues pour être encore immatures et incapables de sécréter de l'insuline spécifiquement en réponse à l'élévation de la glycémie. Au contraire, la réponse insulinique induite par les acides aminés ainsi que la biosynthèse d'insuline sont déjà fonctionnelles. Nos recherches ont permis de montrer que les changements de miARNs corrélés avec l'apparition du phénotype sécrétoire en réponse au glucose, sont régis par la composition nutritionnelle du régime alimentaire et des besoins en insuline qui en découlent. En parallèle, le taux de prolifération des cellules bêta est considérablement réduit. Les miARNs que nous avons étudiés coordonnent des changements d'expression de gènes clés impliqués dans l'acquisition de propriétés vitales de la cellule bêta et dans la maintenancé de son identité propre. Enfin, ces études ont permis de clairement démontrer l'importance des miARNs dans la régulation de la fonction des cellules bêta pancréatiques. -- Beta-cells are highly differentiated cells localized in the pancreatic islets and are characterized by the unique property of secreting insulin in response to nutrient stimulation after meal intake. Insulin is then in charge of facilitating glucose uptake by insulin target tissues such as liver, adipose tissue and muscles. Despite insulin needs stay more or less constant throughout life of healthy individuals, there are circumstances such as during pregnancy or obesity which are associated to insulin resistance, where insulin needs are increased. In this context, defects in beta-cell function, sometimes associated with beta-cell loss, may result in the release of inappropriate amounts of insulin leading to chronic hyperglycemia, properly defined as type 2 diabetes mellitus. So far, the mechanisms underlying beta- cell compensation as well as beta-cell failure remain to be established. The recently discovered small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) are emerging as interesting therapeutic targets and are bringing new hope for the treatment of diabetes. miRNAs display a massive potential in regulating gene expression by directly binding to the 3'UTR of messenger RNAs and by inhibiting their translation and/or stability, enabling them to modify a wide range of biological functions. In view of this, we hypothesized that miRNAs may play an essential role in preserving the functional beta-cell mass and permitting to fight against beta-cell exhaustion and decompensation that can lead to diabetes development. In a first study, global profiling in pancreatic islets of pregnant rats, a model of insulin resistance, led to the identification of a set of differentially expressed miRNAs. Among them, miR-338- 3p was found to promote beta-cell proliferation and survival upon exposure of islet cells to pro- apoptotic stimuli such as saturated fatty acids or pro-inflammatory cytokines, without impairment in their capacity to release insulin. We also discovered that miR-338-3p changes are driven by two hormones, the estradiol and the incretin GLP1, both well known for their beneficial impact on beta- cell physiology. Consistently, we found that miR-338-3p integrates the cAMP-dependent signaling pathways regulated by these two hormones in order to control the expression of numerous genes and execute its biological functions. In a second project, we aimed at determining whether miRNAs contribute to the acquisition of beta-cell identity. Indeed, we confirmed that right after birth beta-cells are still immature and are unable to secrete insulin specifically in response to elevated concentrations of glucose. In contrast, amino acid-stimulated insulin release as well as insulin biosynthesis are already fully functional. In parallel, newborn beta-cells are proliferating intensively within the expanding pancreas. Interestingly, we demonstrated that the miRNA changes and the subsequent acquisition of glucose responsiveness is influenced by the diet composition and the resulting insulin needs. At the same time, beta-cell proliferation declines. The miRNAs that we have identified orchestrate expression changes of essential genes involved in the acquisition of specific beta-cell properties and in the maintenance of a mature beta-cell identity. Altogether, these studies clearly demonstrate that miRNAs play important roles in the regulation of beta-cell function.

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

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

Environmental control of the Pom1-dependent cell-size regulation pathway in fission yeast

Cells couple their growth and division rate in response to nutrient availability to maintain a constant size. This co-ordination happens either at the G1-S or the G2-M transition of the cell cycle. In the rod-shaped fission yeast, size regulation happens at the G2-M transition prior to mitotic commitment. Recent studies have focused on the role of the DYRK-family protein kinase Pom1, which forms gradients emanating from cell poles and inhibits the mitotic activator kinase Cdr2, present at the cell middle. Pom1 was proposed to inhibit Cdr2 until cells reached a critical size before division. However when and where Pom1 inhibits Cdr2 is not clear as medial Pom1 levels do not change during cell elongation. Here I show that Pom1 gradients are susceptible to environmental changes in glucose. Specifically, upon glucose limitation, Pom1 re-localizes from the poles to the cell sides where it delays mitosis through regulating Cdr2. This re-localization occurs due to microtubule de- stabilization and lateral catastrophes leading to transient deposition of the Pom1 gradient nucleator Tea4 along the cell cortex. As Tea4 localization to cell sides is sufficient to recruit Pom1, this explains the mechanism of Pom1 re-localization. Microtubule destabilization and consequently Tea4 and Pom1 spread depends on the activity of the cAMP-dependent Protein Kinase A (PKA/Pka1), as pka1 mutant cells have stable microtubules and retain polar Tea4 and Pom1 under limited glucose. PKA signaling negatively regulates the microtubule rescue factor CLASP/Cls1, thus reducing its ability to stabilize microtubules. Thus PKA signaling tunes CLASP activity to promote microtubule de-stabilization and Pom1 re-localization upon glucose limitation. I show that the side-localized Pom1 delays mitosis and balances the role of the mitosis promoting, mitogen-associated protein kinase (MAPK) protein Sty1. Thus Pom1 re-localization may serve to buffer cell size upon glucose limitation. -- Afin de maintenir une taille constante, les cellules régulent leur croissance ainsi que leur taux de division selon les nutriments disponibles dans le milieu. Dans la levure fissipare, cette régulation de la taille précède l'engagement mitotique et se fait à la transition entre les phases G2 à M du cycle cellulaire. Des études récentes se sont focalisées sur le rôle de la protéine Pom1, membre de la famille des DYRK kinase. Celle-ci forme un gradient provenant des pôles de la cellule et inhibe l'activateur mitotique Cdr2 présent au centre de la cellule. Le model propose que Pom1 inhibe Cdr2 jusqu'à atteindre une taille critique avant la division. Cependant quand et à quel endroit dans la cellulle Pom1 inhibe Cdr2 n'était pas clair car les niveaux médians de Pom1 ne changent pas au cours de la l'élongation des cellules. Dans cette étude, je montre que les gradients de Pom1 sont sensibles aux changements environnementaux du taux de glucose. Plus spécifiquement, en conditions limitantes de glucose, Pom1 se relocalise des pôles de la cellule pour se distribuer sur les côtés de celle-ci. Par conséquent, un délai d'entrée en mitose est observé dû à l'inhibition Cdr2 par Pom1. Cette délocalisation est due à la déstabilisation des microtubules qui va conduire à une déposition transitoire de Tea4, le nucléateur du gradient de Pom1, tout au long du cortex de la cellule. Comme la localisation de Tea4 sur les côtés de la cellule est suffisante pour recruter la protéine Pom1, ceci explique le mécanisme de relocalisation de celle-ci. La déstabilisation des microtubules et par conséquent la diffusion de Tea4 et Pom1 dépendent de l'activité de la protéine kinase A dépendante de l'AMP cyclique (PKA/Pka1). En absence de pka1, la stabilité des microtubules n'est pas affectée ce qui permet la rétention de Tea4 et Pom1 aux pôles de la cellule même en conditions limitantes de glucose. La signalisation via PKA régule négativement le facteur de sauvetage des microtubules CLASP/Cls1 et permet donc de réduire sa fonction de déstabilisation des microtubules. Ainsi la signalisation via PKA affine l'activité des CLASP pour promouvoir la déstabilisation des microtubules et la relocalisation de Pom1 en conditions limitantes de glucose. Je montre que la localisation sur les côtés retarde l'entrée en mitose et compense l'action de la protéine Sty1, connue pour être une MAPK qui induit l'entrée en mitose. Ainsi, la relocalisation de Pom1 pourrait servir à tamponner la taille de la cellule en condition limitantes de glucose. -- Various cell types in the environment such as bacterial, plant or animal cells have a distinct cellular size. Maintaining a constant cell size is important for fitness in unicellular organisms and for diverse functions in multicellular organisms. Cells regulate their size by coordinating their growth rate to their division rate. This coupling is important otherwise cells would get progressively smaller or larger after each successive cell cycle. In their natural environment cells may face fluctuations in the available nutrient supply. Thus cells have to coordinate their division rate to the variable growth rates shown under different nutrient conditions. During my PhD, I worked with a single-celled rod shaped yeast called the fission yeast. These cells are longer when the nutrient supply is abundant and shorter when the nutrient supply is scarce. A protein that senses changes in the external carbon source (glucose) is called Protein Kinase A (PKA). The rod shape of fission yeast cells is maintained thanks to a structural backbone called the cytoskeleton. One of the components of this backbone is called microtubules, which are small tube like structures spanning the length of the cell. They transport a protein called Tea4, which in turn is important for the proper localization of another protein Pom1 to the cell ends. Pom1 helps to maintain proper shape and size of these rod shaped yeast cells. My thesis work showed that upon reduction in the external nutrient (glucose) levels, microtubules become less stable and show an alteration in their organization. A significant percentage of the microtubules contact the side of the cell instead of touching only the cell tip. This leads to the spreading of the protein Pom1 away from the tips all around the cell periphery. This helps fission yeast cells to maintain the proper size required under these conditions of limited glucose supply. I further showed that the protein PKA regulates microtubule stability and organization and thus Pom1 spreading and maintenance of proper cell size. Thus my work led to the discovery of a novel pathway by which fission yeast cells maintain their size under limited supply of glucose. -- Divers types cellulaires dans l'environnement tels que les bactéries, les plantes ou les cellules animales ont une taille précise. Le maintien d'une taille cellulaire constante est importante pour le fitness des organismes unicellulaire ainsi que pour multiples fonctions dans les organismes multicellulaires. Les cellules régulent leur taille en coordonnant le taux de croissance avec le taux de division. Ce couplage est essentiel sinon les cellules deviendraient progressivement plus petites ou plus grandes après chaque cycle cellulaire. Dans leur habitat naturels les cellules peuvent faire face a des fluctuations dans le taux de nutriment disponible. Les cellules doivent donc coordonner leur taux de division aux taux variables de croissances perçus dans les différentes conditions nutritionnels. Pendant ma thèse, j'ai travaillée sur une levure unicellulaire, en forme de bâtonnet, nommé levure fissipare ou levure de fission. La taille de ces cellules est plus grande quand le taux de nutriments est grand et plus courte quand celui-ci est plus faible. Une protéine qui perçoit les changements dans le taux externe de la source de carbone (glucose) est nommée PKA pour protéine kinase A. La forme en bâtonnet de la cellule est due aux caractères structuraux du cytosquelette. Une composante importante de ce cytosquelette sont les microtubules, dont la structures ressemble à des petit tubes qui vont d'un bout à l'autre de la cellule. Ces microtubules transportent une protéine importante nommée Tea4 qui à leur tour importante pour la bonne localisation d'une autre protéine Pom1 aux extrémités de la cellule. La protéine Pom1 aide à maintenir la taille appropriée des levures fissipares. Mon travail de thèse a montré qu'en présence de taux faible de nutriments (glucose) les microtubules deviennent de moins en moins stables et montrent une désorganisation globale. Un pourcentage significatif des microtubules touche les côtés de la cellule aux lieu d'atteindre uniquement les extrémités. Ceci a pour conséquence une diffusion de Pom1 tout au long du cortex de la cellule. Ceci aide les levures fissipares à maintenir la taille appropriée pendant ce stress nutritionnel. De plus, je montre que PKA régule la stabilité et l'organisation des microtubules et par conséquent la diffusion de Pom1 et le maintien d'une taille constante. En conclusion, mon travail a conduit à la découverte d'un nouveau mécanisme par lequel la levure fissipare maintient sa taille dans des conditions limitantes en glucose.

GLUT4, AMP kinase, but not the insulin receptor, are required for hepatoportal glucose sensor-stimulated muscle glucose utilization.

Recent evidence suggests the existence of a hepatoportal vein glucose sensor, whose activation leads to enhanced glucose use in skeletal muscle, heart, and brown adipose tissue. The mechanism leading to this increase in whole body glucose clearance is not known, but previous data suggest that it is insulin independent. Here, we sought to further determine the portal sensor signaling pathway by selectively evaluating its dependence on muscle GLUT4, insulin receptor, and the evolutionarily conserved sensor of metabolic stress, AMP-activated protein kinase (AMPK). We demonstrate that the increase in muscle glucose use was suppressed in mice lacking the expression of GLUT4 in the organ muscle. In contrast, glucose use was stimulated normally in mice with muscle-specific inactivation of the insulin receptor gene, confirming independence from insulin-signaling pathways. Most importantly, the muscle glucose use in response to activation of the hepatoportal vein glucose sensor was completely dependent on the activity of AMPK, because enhanced hexose disposal was prevented by expression of a dominant negative AMPK in muscle. These data demonstrate that the portal sensor induces glucose use and development of hypoglycemia independently of insulin action, but by a mechanism that requires activation of the AMPK and the presence of GLUT4.

Cyclic AMP induces differentiation in vitro of human melanoma cells.

Treating human melanoma lines with dibutyryl adenosine 3':5'-cyclic monophosphate (dbc AMP) resulted in morphologic changes associated with the altered expression of cell surface antigens. After treatment, cells developed long cellular projections characteristic of mature melanocytes and showed the presence of an increased number of Stage II premelanosomes. In addition, induction of melanin synthesis, detected as brown perinuclear pigmentation, was observed. The AMP further drastically reduced the growth rate of the five melanoma cell lines that were tested. The influence of dbc AMP was completely reversible 3 days after the agent was removed from the culture medium. The antigenic phenotype of the melanoma lines was compared before and after dbc AMP treatment. This was done with four monoclonal antibodies directed against major histocompatibility complex (MHC) Class I and II antigens and 11 monoclonal antibodies defining eight different melanoma-associated antigenic systems. Treatment with dbc AMP reduced the expression of human leukocyte antigen (HLA)-ABC antigens and beta-2-microglobulin in five of five melanoma lines. In the two HLA-DR-positive cell lines dbc AMP reduced the expression of this antigen in one line and enhanced it in the other. No induction of HLA-DR or HLA-DC antigens was observed in the Class II negative cell lines. Furthermore, dbc-AMP modulated the expression of the majority of the melanoma antigenic systems tested. The expression of a 90-kilodalton (KD) antigen, which has been found to be upregulated by interferon-gamma, was markedly decreased in all the five cell lines. A similar decrease in the expression of the high molecular weight proteoglycan-associated antigen (220-240 KD) was observed. The reduced expression of Class I and II MHC antigens as well as the altered expression of the melanoma-associated antigens studied were shown to be reversible after dbc AMP was removed. Our results collectively show that the monoclonal antibody-defined melanoma-associated molecules are linked to differentiation. They could provide useful tools for monitoring the maturation of melanomas in vivo induced by chemical agents or natural components favoring differentiation.

FRAX(®) Clinical Task Force of the 2010 Joint International Society for Clinical Densitometry & International Osteoporosis Foundation Position Development Conference.

The World Health Organization fracture risk assessment tool, FRAX(®), is an advance in clinical care that can assist in clinical decision-making. However, with increasing clinical utilization, numerous questions have arisen regarding how to best estimate fracture risk in an individual patient. Recognizing the need to assist clinicians in optimal use of FRAX(®), the International Osteoporosis Foundation (IOF) in conjunction with the International Society for Clinical Densitometry (ISCD) assembled an international panel of experts that ultimately developed joint Official Positions of the ISCD and IOF advising clinicians regarding FRAX(®) usage. As part of the process, the charge of the FRAX(®) Clinical Task Force was to review and synthesize data surrounding a number of recognized clinical risk factors including rheumatoid arthritis, smoking, alcohol, prior fracture, falls, bone turnover markers and glucocorticoid use. This synthesis was presented to the expert panel and constitutes the data on which the subsequent Official Positions are predicated. A summary of the Clinical Task Force composition and charge is presented here.

AMP-activated protein kinase mediates glucocorticoid-induced metabolic changes: a novel mechanism in Cushing's syndrome.

Chronic exposure to glucocorticoid hormones, resulting from either drug treatment or Cushing's syndrome, results in insulin resistance, central obesity, and symptoms similar to the metabolic syndrome. We hypothesized that the major metabolic effects of corticosteroids are mediated by changes in the key metabolic enzyme adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK) activity. Activation of AMPK is known to stimulate appetite in the hypothalamus and stimulate catabolic processes in the periphery. We assessed AMPK activity and the expression of several metabolic enzymes in the hypothalamus, liver, adipose tissue, and heart of a rat glucocorticoid-excess model as well as in in vitro studies using primary human adipose and primary rat hypothalamic cell cultures, and a human hepatoma cell line treated with dexamethasone and metformin. Glucocorticoid treatment inhibited AMPK activity in rat adipose tissue and heart, while stimulating it in the liver and hypothalamus. Similar data were observed in vitro in the primary adipose and hypothalamic cells and in the liver cell line. Metformin, a known AMPK regulator, prevented the corticosteroid-induced effects on AMPK in human adipocytes and rat hypothalamic neurons. Our data suggest that glucocorticoid-induced changes in AMPK constitute a novel mechanism that could explain the increase in appetite, the deposition of lipids in visceral adipose and hepatic tissue, as well as the cardiac changes that are all characteristic of glucocorticoid excess. Our data suggest that metformin treatment could be effective in preventing the metabolic complications of chronic glucocorticoid excess.

Short-term overexpression of a constitutively active form of AMP-activated protein kinase in the liver leads to mild hypoglycemia and fatty liver.

AMP-activated protein kinase (AMPK) is a major therapeutic target for the treatment of diabetes. We investigated the effect of a short-term overexpression of AMPK specifically in the liver by adenovirus-mediated transfer of a gene encoding a constitutively active form of AMPKalpha2 (AMPKalpha2-CA). Hepatic AMPKalpha2-CA expression significantly decreased blood glucose levels and gluconeogenic gene expression. Hepatic expression of AMPKalpha2-CA in streptozotocin-induced and ob/ob diabetic mice abolished hyperglycemia and decreased gluconeogenic gene expression. In normal mouse liver, AMPKalpha2-CA considerably decreased the refeeding-induced transcriptional activation of genes encoding proteins involved in glycolysis and lipogenesis and their upstream regulators, SREBP-1 (sterol regulatory element-binding protein-1) and ChREBP (carbohydrate response element-binding protein). This resulted in decreases in hepatic glycogen synthesis and circulating lipid levels. Surprisingly, despite the inhibition of hepatic lipogenesis, expression of AMPKalpha2-CA led to fatty liver due to the accumulation of lipids released from adipose tissue. The relative scarcity of glucose due to AMPKalpha2-CA expression led to an increase in hepatic fatty acid oxidation and ketone bodies production as an alternative source of energy for peripheral tissues. Thus, short-term AMPK activation in the liver reduces blood glucose levels and results in a switch from glucose to fatty acid utilization to supply energy needs.

Linker insertion mutagenesis based on IS21 transposition: isolation of an AMP-insensitive variant of catabolic ornithine carbamoyltransferase from Pseudomonas aeruginosa.

The bacterial insertion sequence IS21 when repeated in tandem efficiently promotes non-replicative cointegrate formation in Escherichia coli. An IS21-IS21 junction region which had been engineered to contain unique SalI and BglII sites close to the IS21 termini was not affected in the ability to form cointegrates with target plasmids. Based on this finding, a novel procedure of random linker insertion mutagenesis was devised. Suicide plasmids containing the engineered junction region (pME5 and pME6) formed cointegrates with target plasmids in an E.coli host strain expressing the IS21 transposition proteins in trans. Cointegrates were resolved in vitro by restriction with SalI or BglII and ligation; thus, insertions of four or 11 codons, respectively, were created in the target DNA, practically at random. The cloned Pseudomonas aeruginosa arcB gene encoding catabolic ornithine carbamoyltransferase was used as a target. Of 20 different four-codon insertions in arcB, 11 inactivated the enzyme. Among the remaining nine insertion mutants which retained enzyme activity, three enzyme variants had reduced affinity for the substrate ornithine and one had lost recognition of the allosteric activator AMP. The linker insertions obtained illustrate the usefulness of the method in the analysis of structure-function relationships of proteins.