Characterization of the HeCo mutant mouse: a new model of subcortical band heterotopia associated with seizures and behavioral deficits.

In human, neuronal migration disorders are commonly associated with developmental delay, mental retardation, and epilepsy. We describe here a new mouse mutant that develops a heterotopic cortex (HeCo) lying in the dorsolateral hemispheric region, between the homotopic cortex (HoCo) and subcortical white matter. Cross-breeding demonstrated an autosomal recessive transmission. Birthdating studies and immunochemistry for layer-specific markers revealed that HeCo formation was due to a transit problem in the intermediate zone affecting both radially and tangentially migrating neurons. The scaffold of radial glial fibers, as well as the expression of doublecortin is not altered in the mutant. Neurons within the HeCo are generated at a late embryonic age (E18) and the superficial layers of the HoCo have a correspondingly lower cell density and layer thickness. Parvalbumin immunohistochemistry showed the presence of gamma-aminobutyric acidergic cells in the HeCo and the mutant mice have a lowered threshold for the induction of epileptic seizures. The mutant showed a developmental delay but, in contrast, memory function was relatively spared. Therefore, this unique mouse model resembles subcortical band heterotopia observed in human. This model represents a new and rare tool to better understand cortical development and to investigate future therapeutic strategies for refractory epilepsy.

Construction and analysis of a new conditional ferritin H knockout mouse strain/

Résumé Le fer joue un rôle important dans la plupart des fonctions biologiques mais sa présence excessive provoque la production de molécules réactives d'oxygène (ROS) qui peuvent contribuer à diverses maladies. La protéine de stockage du fer, la ferritine H, capte l'excès en fer et le stocke sous forme non-toxique, ce qui empêche des dommages potentiels. La délétion de la ferritine H dans des souris knock-out a été essayée antérieurement, mais ces souris mouraient au stade précoce du développement embryonnaire. Pour étudier l'importance du fer, et en particulier son stockage dans la ferritine, et pour pouvoir mieux comprendre les fonctions de la ferritine H, nous avons créé un modèle de souris knock-out conditionnelles de la ferritine H, selon le système classique de Cre-LoxP. Le premier exon et la région du promoteur du gène de la ferritine H ont été entourés de sites loxP. La mortalité embryonnaire provoquée par la délétion constitutive du gène de la ferritine H a été confirmée en croisant nos souris avec des souris exprimant nestin-Cre1. En croisant nos souris avec des souris transgéniques Mx-Cre, nous avons observé que l'induction de Cre par injection de polyI-polyC provoque la délétion presque complète de la ferritine H dans le foie (> 99%) et la rate (> 88%). Ces tissus ont également perdu une grande partie de leur réserve de fer. Cette observation apporte pour la première fois la preuve in vivo que la ferritine H est indispensable pour le stockage du fer, que les fonctions de la ferritine H et de la ferritine L ne sont pas équivalentes, et que la ferritine L ne peut pas assumer seule la fonction de stockage du fer. Dans le foie des souris knock-out, l'expression de l'ARN messager de l'hepcidine a été induite après 10 jours. En même temps, l'expression de l'ARN messager des gènes codant pour des protéines de l'absorption de fer (DMT1, ferroportin, Dcytb1 et hephaestin) a été réprimée mais dans le duodénum seulement. L'expression d'hepcidine est inversément corrélée avec celle des gènes liés à l'absorption de fer. Cette observation corrobore des études antérieures. Mais, en plus, elle montre également que cette répression se produit seulement dans l'intestin. Nous pouvons ainsi tirer la conclusion suivante : ou bien l'hepcidine a un récepteur spécifique dans le duodénum ou bien les gènes liés à l'absorption de fer dans le duodénum ont un facteur spécifique de transcription sensible à l'hepcidine. Aucune répression de DMT1 et de ferroportin n'a été observée dans les macrophages de la rate après l'induction d'hepcidine. La délétion de ferritine H a entraîné une augmentation du taux de mortalité des cellules hépatiques, ainsi que des altérations dans l'architecture normale du tissu de la rate. Vu par l'immunohistologie, le nombre de lymphocytes B et T était réduit dans la rate, tendant à démontrer que la ferritine H et l'homéostase du fer jouent un rôle dans l'immunité. En conclusion, le modèle de souris knock-out conditionnelles de la ferritine H nous fournit un outil précieux pour l'étude in vivo du rôle joué par la ferritine dans l'homéostase du fer, dans les dommages créés par les ROS, ainsi que dans l'apoptose et l'immunité. Summary Iron plays an important role in most biological functions. However, excess of iron results in production of reactive oxygen species (ROS) which could substantially contribute to pathology of various diseases. Ferritin H scavenges excess of iron and stores it in non-toxic form and potentially prevents the damage. Fenitin H targeting in mice has been attempted before, however, straight knockout was lethal in early embryonic stage. To study the role of iron and its storage protein ferritin and to further elucidate ferritin H functions, we aimed at creating a conditional ferritin H knockout mouse model by classical Cre-LoxP system. First exon along with promoter region of the ferritin H gene was foxed. Embryonic lethality of the constitutive ferritin H deletion was confirmed by crossing the foxed mice with mice expressing nestin Cre-1 as transgene. Almost complete deletion was observed in liver (> 99%) and spleen (>88%) upon induction of Cre by injecting polyI-polyC in Fth Lox/Lox; MxCre mice. These tissues also lost substantial fraction of their iron stores. This provides first in vivo evidence that ferritin H is required for iron storage, ferritin H and L functions are not redundant and that ferritin L cannot perform iron storage function alone. Hepcidin mRNA expression was induced after 10 days in the livers of deleted mice and, simultaneously, mRNA expression of iron absorption related genes (DMT 1, ferroportin, Dcytb1 and hephaestin) was repressed in duodenum only. Hepcidin expression is inversely correlated with that of duodenal iron absorption related genes. This is in agreement with previous studies. However, we also show that this repression happens only in intestine. This leads to the conclusion that either hepcidin has a specific receptor in duodenum or the iron absorption related genes have duodenum specific transcription factor that is responsive to hepcidin. No repression of DMT1 and ferroportin was observed in spleen macrophages upon hepcidin induction. Ferritin H deletion showed increased cell death in liver and disruption of normal architecture of spleen. B lymphocytes were reduced in spleen on immunohistology which point towards a role of ferritin H and iron homeostasis in immunity. In conclusion, ferritin H conditional knockout mouse model provides us with an invaluable tool to study the in vivo role of ferritin H in iron homeostasis, ROS mediated damage, apoptosis and immunity.

CELLULAR AND MOLECULAR STUDY OF SUBCORTICAL BAND HETEROTOPIA IN THE MOUSE MUTANT HECO

The HeCo mouse model is characterized by a subcortical heterotopia formed by misplaced neurons normally migrating into the superficial cortical layers. The mutant mouse has a tendency to epileptic seizures. In my thesis project we discovered the mutated Eml1 gene, a member of the echinoderm microtubule-associated protein (EMAP) family, in HeCo as well as in a family of three children showing complex malformation of cortical development. This discovery formed an important step in exploring the pathogenic mechanisms underlying the HeCo phenotype. In vitro results showed that during cell division the EML1 protein is associated with the midbody and a mutated version of Eml1 highlighted an important role of the protein in the astral MT array during cell cycle. In vivo, we found that already at an early age of cortical development (E13), ectopic progenitors such as RGs (PAX6) and IPCs (TBR2) accumulate in the IZ along the entire neocortex. We demonstrated that in the VZ of the HeCo mouse, spindle orientation and cell cycle exit are perturbed. In later stages (E17), RG fibers are strongly disorganized with deep layer (TBR1) and upper layer (CUX1) neurons trapped within an ectopic mass. At P3, columns of upper layer neurons were present between the heterotopia and the developing cortex; these columns were also present at P7 but at lesser extent. Time lapse video recording (E15.5) revealed that the parameters characterizing the migration of individual neurons are not disturbed in HeCo; however, this analysis showed that the density of migrating neuron was smaller in HeCo. In conclusion, truncated EML1 is likely to play a prominent role during cell cycle but also acts on the cytoskeletal architecture altering the shape of RG fibers thus influencing the pattern of neuronal migration. The signal transduction between external cues and intracellular effector pathways through MTs may be secondary but sustains the heterotopia development and further studies are needed to clarify the impact of EML1 in progenitors versus post-mitotic cells.

The Ciliogenic Transcription Factor RFX3 Regulates Early Midline Distribution of Guidepost Neurons Required for Corpus Callosum Development.

The corpus callosum (CC) is the major commissure that bridges the cerebral hemispheres. Agenesis of the CC is associated with human ciliopathies, but the origin of this default is unclear. Regulatory Factor X3 (RFX3) is a transcription factor involved in the control of ciliogenesis, and Rfx3-deficient mice show several hallmarks of ciliopathies including left-right asymmetry defects and hydrocephalus. Here we show that Rfx3-deficient mice suffer from CC agenesis associated with a marked disorganisation of guidepost neurons required for axon pathfinding across the midline. Using transplantation assays, we demonstrate that abnormalities of the mutant midline region are primarily responsible for the CC malformation. Conditional genetic inactivation shows that RFX3 is not required in guidepost cells for proper CC formation, but is required before E12.5 for proper patterning of the cortical septal boundary and hence accurate distribution of guidepost neurons at later stages. We observe focused but consistent ectopic expression of Fibroblast growth factor 8 (Fgf8) at the rostro commissural plate associated with a reduced ratio of GLIoma-associated oncogene family zinc finger 3 (GLI3) repressor to activator forms. We demonstrate on brain explant cultures that ectopic FGF8 reproduces the guidepost neuronal defects observed in Rfx3 mutants. This study unravels a crucial role of RFX3 during early brain development by indirectly regulating GLI3 activity, which leads to FGF8 upregulation and ultimately to disturbed distribution of guidepost neurons required for CC morphogenesis. Hence, the RFX3 mutant mouse model brings novel understandings of the mechanisms that underlie CC agenesis in ciliopathies.

Rôle des molécules de co-stimulations et de CD93 dans la différenciation en plasmocytes

Le développement des cellules B est constitué d'une première phase qui se déroule dans la moelle en absence d'antigène et d'une deuxième phase qui se déroule dans les organes lymphoïdes secondaires et qui débute uniquement en présence d'antigène. Cette deuxième partie est extrêmement importante et doit être très bien régulée pour lutter efficacement contre les pathogènes, ainsi que pour éviter de nombreuses maladies de type auto-immunes. Ce travail est basé à l'origine sur l'étude de souris mutantes dans lesquelles une protéine des cellules T est modifiée, impliquant une très forte activation des cellules B en absence d'antigène et de manière non spécifique. Ces souris constituent donc un outil de travail très intéressant pour étudier tout d'abord le mécanisme aboutissant à l'activation des cellules B dans ce contexte particulier. De plus comme ces souris contiennent énormément de cellules sécrétant des anticorps, à savoir les plasmocytes, il est facile d'étudier leur phénotype. Cela nous a permis de démontrer qu'un récepteur membranaire, CD93 est exprimé à leur surface. Cette observation a ensuite été confirmée dans des souris normales, de type sauvage. L'utilisation de ce marqueur de surface nous a permis de caractériser plus en détail les étapes du développement des plasmocytes. De plus nous avons tenté de trouver la fonction jouée par cette molécule à la surface de ces cellules, en utilisant des souris dans lesquelles ce récepteur a été supprimé. Si les premières étapes de l'activation des cellules B étaient normales, ces souris n'étaient par contre pas capables de produire des anticorps à long-terme dans le sang. Nous avons pu montrer que la survie des plasmocytes en l'absence de CD93 est moins efficace dans la moelle, probablement du au fait qu'en absence de cette molécule, les plasmocytes ont plus de difficultés à adhérer dans ce que l'on appelle des niches de survie. Nous avons essayé ensuite de déterminer si CD93 peut être utilisé comme cible thérapeutique dans le cadre de maladies auto-immunes ou de lymphomes. Bien que CD93 soit exprimé à la surface des cellules d'intérêt dans les souris souffrant de lupus, il n'a pas été possible de les éliminer avec un anticorps dirigé contre CD93. De plus nous n'avons pas pu mettre en évidence l'expression de CD93 à la surface des plasmocytes humains induits in vitro. SUMMARY : Antigen dependent B cell activation is a key aspect of the adaptive immunity which is involved in the efficient response against pathogens, but also in vaccination and in numerous pathologies. The aim of this project was to investigate two key aspects of the late B cell development, namely the role of costimulatory molecules in the immunological synapse between T and B cells and the characterization of a new plasma cell marker, CD93. This work was initially based on the study of the LatY136F mutant mouse. The latter harbors a point mutation in the LAT adaptor protein which is involved in T cell receptor signaling. As a consequence of this mutation, CD4 T cells in the periphery expand strongly and are polarized in a TH2 manner leading to a normal but exaggerated B cell response. For this reason, these mice provide a useful tool to investigate different aspects of the late B cell development. The first part of the project was focused on the role played by costimulatory molecules in LotY136F CD4 T cell mediated B cell activation. In vitro studies showed that CD80/CD86, IL-4 and LFA-1 were required for LatY136FT cells to activate B cells whereas CD40 and IcosL were not necessary. In vivo we showed that CD80/CD86 was required for initial T cell expansion whereas CD40 and IcosL deficiency led to a less efficient B cell activation. The large amount of plasma cells present in LatY136F mice allows investigating in more details their phenotype and CD93 was found to be expressed on their surface, This observation was confirmed in wild type B cells activated either in vivo or in vitro with T-independent or T-dependent antigens. Moreover we found that CD93 expression can occur either before CD138/Blimp-1 induction or after, showing that two independent pathways can lead to the formation of CD93/CD138 double positive population, which was shown to be the more mature. Indeed, their phenotype correlated with modified transcriptional network, high isotype switched antibody secretion and cell cycle arrest. Analysis of CD93 deficient mice demonstrated that the initial B cell activation after immunization was normal, but also showed that these mice failed to maintain a high antibody secretion level at later time points both after primary and boost immunization. This was shown to be due to a less efficient survival of the long-lived plasma cells in the bone marrow niches, most likely related with a defective adhesion process in absence of CD93. We investigated the possibility to use CD93 as a target to treat plasma cell pathologies, but even if this molecule is expressed on cells of interest in the bone marrow of lupus mice, it was not possible to deplete them using anti-CD93 antibodies. Moreover we were not able to show its expression on the surface of in vitro activated B cells and multiple myeloma cell lines of human origin. In conclusion, our data helped understand both the mechanisms leading to the polyclonal B cell activation occurring in the LatY136F KI mouse and the role played by CD93 on the surface of plasma cells, which could potentially open the way to therapeutic application.

Cutting edge: thymic crosstalk regulates delta-like 4 expression on cortical epithelial cells.

Interactions between Notch1 receptors on lymphoid progenitors and Delta-like 4 (DL4) ligands on cortical thymic epithelial cells (cTEC) are essential for T cell lineage commitment, expansion, and maturation in the thymus. Using a novel mAb against DL4, we show that DL4 levels on cTEC are very high in the fetal and neonatal thymus when thymocyte expansion is maximal but decrease dramatically in the adult when steady-state homeostasis is attained. Analysis of mutant mouse strains where thymocyte development is blocked at different stages indicates that lymphostromal interactions ("thymus crosstalk") are required for DL4 down-regulation on cTEC. Reconstitution of thymocyte development in these mutant mice further suggests that maturation of thymocytes to the CD4(+)CD8(+) stage and concomitant expansion are needed to promote DL4 down-regulation on cTEC. Collectively, our data support a model where thymic crosstalk quantitatively regulates the rate of Notch1-dependent thymopoiesis by controlling DL4 expression levels on cTEC.

Génération d'une souris dépourvue du gène VIT32 de manière conditionnelle: étude du phénotype rénal chez les souris dépourvues de RGS2

Résumé Dans le rein, la vasopressine possède un rôle essentiel dans la régulation fine du transport d'eau et participe au contrôle de la réabsorption du sodium. Cette action est conduite par l'activation du récepteur à la vasopressine V2R situé dans l'anse de Henle, dans le tubule connecteur et dans le canal collecteur du néphron des rongeurs et conduit à la formation d'AMPc entraînant un mécanisme d'action caractérisé par deux phases distinctes. Le premier effet de la vasopressine est non génomique et a lieu rapidement après l'activation du récepteur, la deuxième phase est plus tardive et possède la caractéristique de moduler la transcription d'un réseau de gènes. Parmi ces gènes, plusieurs sont directement impliqués dans le transport d'eau et de sodium, comme l'Aqp2 et 3, ENaC et la Na,K-ATPase. L'identification des effets de la voie de signalisation de la vasopressine représente un point crucial pour la compréhension des mécanismes moléculaires de la réabsorption de l'eau et du sodium dans le néphron. L'analyse en série de l'expression de gènes (SAGE) réalisée en 2001 dans notre laboratoire a permis de caractériser le transcriptome dépendant de la vasopressine dans la lignée cellulaire mpkCCDc14,a dérivée du canal collecteur cortical (CCD) de souris. Deux des transcrits induits par la vasopressine (VIT) ont fait l'objet des études de ce travail de thèse. Le premier est VIT32 (Vasopressin induced transcript 32) qui code pour une protéine ne possédant aucune homologie avec des domaines protéiques dont la fonction est connue. Dans le système d'expression de l'ovocyte de Xenopus laevis, VIT32 induit la maturation des ovocytes et diminue le courant sensible à l'amiloride de manière dépendante de la voie des MAPK. Dans les mpkCCDc14, l'inhibition de la voie des MAPK diminue le courant sodique en diminuant l'activité de la Na,K-ATPase, mais sans modifier le courant d'ENaC. Ainsi la voie de signalisation des MAPK peut avoir des cibles différentes suivant le système dans lequel elle est étudiée. C'est pourquoi nous avons décidé de poursuivre l'étude de VIT32 dans un contexte physiologique en créant une souris dépourvue du gène codant pour VIT32 de manière conditionnelle (conditional knockout). La première partie de cette thèse a donc consisté à générer cette souris. Le deuxième transcrit induit par la vasopressine qui a été étudié dans cette thèse est RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). In vitro, il a été montré que RGS2 inhibe des voies de signalisation dépendantes de récepteurs couplés à des protéines Gq et Gs. Dans notre étude, nous avons montré que dans le néphron de rein de souris, RGS2 est colocalisé avec V2R. In vivo, la vasopressine sécrétée lors d'une restriction en eau imposée à des souris augmente l'expression de RGS2. De plus, l'accumulation d'AMPc engendrée par l'action de la vasopressine sur les canaux collecteurs est significativement plus grande chez les souris dépourvues de RGS2 (rgs2 -/-). Cette induction de la signalisation de la vasopressine est corrélée à une augmentation de la réabsorption d'eau chez les souris rgs2 -/-. Ainsi RGS2 serait impliqué dans le rétrocontrôle négatif de la voie de signalisation de la vasopressine. Abstract In the kidney, vasopressin plays a key role in the control of water balance and participates in salt reabsorption. These actions are induced by the activation of V2 vasopressin receptor (V2R) located in the loop of Henle, in the connecting tubule and in the collecting duct leading to an increase in intracellular cAMP levels. The V2R-mediated vasopressin action elicits a rapid, non-genomic effect, during which water and salt reabsorption is rapidly increased and a late or genomic effect characterised by the long-term regulation of water and salt reabsorption through the transcriptional activation of a gene network that includes Aqp2, Aqp3, ENaC and Na,K-ATPase. Serial analysis of gene expression (SAGE) performed in 2001 in our laboratory characterised the vasopressin induced transcripts (VIT) in the mpkCCDc14 cell line. Two of them are studied in this thesis. The first one is VIT32 (Vasopressin induced transcript 32) that encodes a protein that has no homology with any protein domain of known function. In the Xenopus laevis oocyte, VIT32 induces oocyte maturation and downregulates the ENaC amiloride sensitive current via the activation of the MAPK pathway. In mpkCCDc14 cell line, the MAPK pathway inhibition leads to a decrease of Na,K-ATPase activity without affecting ENaC current. Therefore, the MAPK pathway can act on different targets depending on the cellular context. Thus, we decided to investigate the function of VIT32 in its physiological environment by performing a conditional knockout mouse of VIT32. The first part of this thesis consisted in generating this mouse. The second studied vasopressin induced transcript is RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). In vitro, RGS2 has been shown to inhibit Gq and Gs protein-coupled receptor pathway. In our study we show that RGS2 is co-localized with V2R in the mouse nephron. In vivo, vasopressin secreted during water restriction up-regulates RGS2 expression. Moreover, vasopressin-dependant accumulation of CAMP is significantly increased in the cortical collecting duct of RGS2 knockout mice. This increase is correlated with an increase in water reabsorption. RGS2 could be involved in the negative feedback regulation of V2R signalling. Résumé tout public Le corps humain est composé d'environ 60% d'eau répartie à l'intérieur et à l'extérieur des cellules de notre organisme. Les cellules, unités fondamentales du vivant, puisent l'oxygène et les nutriments indispensables à leur fonctionnement dans le liquide extracellulaire. La composition du milieu doit être constante, car les variations peuvent perturber considérablement et parfois fatalement la fonction des cellules. Ainsi les organismes pluricellulaires ont développé des mécanismes permettant de contrôler la constance du milieu extracellulaire afin de maintenir l'état d'équilibre nommé homéostasie. Le rein joue un rôle majeur dans cette homéostasie grâce à sa capacité de réabsorber l'eau et les solutés en fonction des besoins de l'organisme. Cette fonction du rein est régulée par différentes hormones comme la vasopressine, qui permet de contrôler la réabsorption fine de l'eau et des solutés. Dans leurs membranes, les cellules possèdent des récepteurs leur permettant de répondre aux signaux extracellulaires comme le sont entre autres les hormones. Ainsi les cellules sensibles à la vasopressine possèdent un récepteur nommé V2R qui permet d'intégrer les signaux de la vasopressine en déclenchant tout une cascade d'événements conduisant à une modification de l'expression de certaines protéines impliquées directement ou non dans la réabsorption de l'eau et des solutés. Une étude précédente élaborée au sein de notre laboratoire a permis de répertorier les protéines dont l'expression est augmentée par de la vasopressine. Deux de ces protéines ont fait l'objet des études de cette thèse. La première protéine induite par la vasopressine est VIT32 (Vasopressin induced transcript 32). Cette protéine est entre autres impliquée dans la réabsorption du sodium, mais la fonction précise de VIT32 dans ce transport n'a pas pu être déterminée. Une des approches possibles pour l'étude de la fonction d'une protéine est de supprimer son expression chez la souris et d'étudier les conséquences de son absence. Ces souris sont appelées des souris knockout, puisque la protéine en question ne peut plus agir. La première partie de cette thèse a donc consisté à générer une souris dépourvue du gène de VIT32. La deuxième protéine étudiée est RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). Cette protéine inhibe certaines voies de signalisation activées par différentes hormones. Dans cette partie du travail de thèse, nous avons pu mettre en évidence que RGS2 agit comme un inhibiteur de la voie de signalisation de la vasopressine. En modifiant cette signalisation, RGS2 serait donc un médiateur du contrôle de la réabsorption d'eau dans les cellules du rein sensibles à la vasopressine.

Overexpression of mutant ataxin-3 in mouse cerebellum induces ataxia and cerebellar neuropathology.

Machado-Joseph disease (MJD), also known as spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3), is a fatal, dominant neurodegenerative disorder caused by the polyglutamine-expanded protein ataxin-3. Clinical manifestations include cerebellar ataxia and pyramidal signs culminating in severe neuronal degeneration. Currently, there is no therapy able to modify disease progression. In the present study, we aimed at investigating one of the most severely affected brain regions in the disorder-the cerebellum-and the behavioral defects associated with the neuropathology in this region. For this purpose, we injected lentiviral vectors encoding full-length human mutant ataxin-3 in the mouse cerebellum of 3-week-old C57/BL6 mice. We show that circumscribed expression of human mutant ataxin-3 in the cerebellum mediates within a short time frame-6 weeks, the development of a behavioral phenotype including reduced motor coordination, wide-based ataxic gait, and hyperactivity. Furthermore, the expression of mutant ataxin-3 resulted in the accumulation of intranuclear inclusions, neuropathological abnormalities, and neuronal death. These data show that lentiviral-based expression of mutant ataxin-3 in the mouse cerebellum induces localized neuropathology, which is sufficient to generate a behavioral ataxic phenotype. Moreover, this approach provides a physiologically relevant, cost-effective and time-effective animal model to gain further insights into the pathogenesis of MJD and for the evaluation of experimental therapeutics of MJD.

Analysis of c-Myc function in mouse epidermis

Abstract The c-myc gene is one of the most frequently mutated oncogenes found in human tumors. c-Myc has been implicated in the regulation of various biological processes including cell cycle progression, cellular growth, differentiation, angiogenesis, immortalization and apoptosis. To assess the normal role of c-Myc in epithelial cell types in vitro and in vivo we have deleted the c-myc gene in keratinocytes and in the adult skin epidermis by conditional Cre/loxP mediated recombination. Similar to what we have previously shown in mouse embryonic fibroblasts acute elimination of c-Myc activity in cultured keratinocytes causes cells to cease proliferation and adapt a flat cell morphology. Mutant cells accumulate in a diploid Ki67neg stage, indicative of a quiescent Go stage. This demonstrates that c-Myc activity is essential to maintain keratinocytes in a productive cell cycle. In addition, mutant keratinocytes showed a defect in Ca2+ induced induction of the differentiation marker Keratin 1 suggesting a role for c-Myc during differentiation. To assess the in vivo role of c-Myc we used a tamoxifen inducible K5::CreERT transgene to delete the c-myc gene in the adult skin epidermis. Unexpectedly, despite strong c-Myc expression in the basal compartment it is not required for maintenance of the skin epidermis in the adult mouse. The epidermis appeared normal with respect to both proliferation and differentiation. In addition, no selection against c-Myc deficient epidermal cells occurred over many months, further confirming that c-Myc is dispensable for normal skin homeostasis. Even more surprising, TPA induced hyperproliferation also occurred in a c-Myc independent manner. Treatment of the skin with the mutagen DMBA prior to TPA is a classical way to induce papillomas by selecting for mutations that lead to dominant activation of the oncogene Ha-Ras. Most interestingly tumor formation was severely inhibited suggesting that tumor progression requires endogenous c-Myc. Further studies are required to address whether the role of c-Myc in the activation of telomerase or the Werner protein, or its role to induce angiogenesis is required for skin tumor progression, In conclusion, this work shows that while c-Myc is not required for maintenance or hyperplasia of mouse epidermis, it is essential for skin tumor progression in collaboration with Ras. Résumé Le gène c-myc est un des oncogènes les plus fréquemment mutés dans les tumeurs humaines. c-Myc est impliqué dans la régulation de processus biologiques variés, comme la progression du cycle cellulaire, la croissance cellulaire, la différenciation, l'angiogenèse, l'immortalisation et l'apoptose. Pour caractériser le rôle physiologique de c-Myc dans les cellules de type épithélial in vitro et in vivo, le gène c-myc a été délété dans des kératinocytes primaires et dans l'épiderme de peau de souris adultes par des recombinaisons conditionnelles (système Cre/loxP). De la même façon que dans les fibroblastes d'embryon de souris, l'élimination aiguë de l'activité de c-Myc dans les kératinocytes en culture primaire provoque l'arrêt de la prolifération des cellules et leur applatissement morphologique. Les cellules mutantes restent dans un stade diploïde Ki67neg, indiquant un stade quiescent Go. Cela démontre que l'activité de c-Myc est essentielle pour maintenir les kératinocytes dans le cycle cellulaire. De plus, les kératinocytes mutants montrent une déficience pour le marqueur de différenciation Kératine 1 au cours de la différenciation induite par le calcium, suggérant un rôle de c-Myc dans la différenciation cellulaire. Pour comprendre le rôle de c-Myc in vivo, le transgène K5::CreERT inductible par le tamoxifen a été utilisé pour déléter le gène c-inyc dans l'épiderme de souris adultes. Etonnemment, malgré une forte expression de c-Myc dans le compartiment basal de l'épiderme, ce gène n'est pas nécessaire pour la maintenance de l'épiderme de la peau chez la souris adulte. L'épiderme apparait normal avec une prolifération et une différenciation physiologique des cellules. De plus, il n'y a pas de sélection contre les cellules épidennales c-Myc déficientes après plusieurs mois, ce qui confirme que c-Myc n'est pas nécessaire pour l'homéostasie normale de la peau. Encore plus surprenant, une hyperprolifération est également induite par du TPA chez les souris mutantes, impliquant une voie de prolifération indépendante de c-Myc. Le traitement de la peau par le mutagène DMBA avant le traitement au TPA est une voie classique d'induction de papillomes, par sélection de mutations conduisant à l'activation de l'oncogène Ha-Ras. La formation des tumeurs est fortement inhibée chez les souris mutantes, suggérant que la progression des tumeurs nécessite la présence endogène de c-Myc. De nouvelles études sont nécessaires pour savoir si c-Myc a un rôle dans l'activation de la télomérase ou de la protéine de Werner, ou encore dans l'angiogénèse, qui sont nécessaires pour la progression tumorale. En conclusion, ce travail montre que même si c-Myc n'est pas nécessaire pour la maintenance ou l'hyperplasie de la peau de souris, il est essentiel pour la progression des tumeurs de la peau en collaboration avec Ras.

Genetic dissection of c-Myc function during mouse organogenesis

Résumé Le gène c-myc est un des oncogènes les plus fréquemment mutés dans les tumeurs humaines. Même si plus de 70 % des cancers humains montrent une dérégulation de c-Myc, les connaissances sur son rôle physiologique pendant le développement, et dans la souris adulte restent très peu connus. Récemment, notre laboratoire a pu montrer que c-Myc contrôle l'équilibre entre le renouvellement et la différenciation des cellules souches hématopoïetiques (CSH) dans la souris adulte. Ceci est probablement dû à lacapacité de c-Myc de contrôler l'entrée et la sortie des CSH de leur niche de la moelle osseuse, en régulant plusieurs molécules d'adhésion, parmi lesquelles la cadhérine-N (Wilson et al., 2004; Wilson and Trumpp, 2006). Des études utilisant un mutant d'inactivation ont demontré que la protéine c-Myc est essentielle pour le développement au delà du jour embryonnaire E9.5. Les embryons c-Myc déficients sont plus petits que la normale et possèdent de nombreux défauts; en particulier ils ne peuvent établir un système hématopoietique embryonnaire primitif (Trumpp et al., 2001). Nous avons récemment découvert que le développement du placenta dépend de la présence de cMyc. Ceci permet de proposer que certains, sinon tous, les défauts embryonnaires puorraient dériver indirectement d'un défaut nutritionnel causé par la défaillance du placenta. Afin de répondre à cette question de manière génétique, nous avons utilisé l'allele conditionel c-mycflox (Trumpp et al., 2001) en combinaison avec l'allele Sox2-Cre (Hayashi et al., 2002). Celui-ci détermine l'expression de la récombinase Cre spécifiquement dans les cellules de l'épiblaste à partir de E6.5, tandis qu'il n'y a pas, ou seulement très peu, d'activité de la récombinase Cre dans les tissus extraembryonnaires.Alnsi, cette stratégie nous permet de générer des embryons sans c-Myc qui se développent en présence d'un compartment extraembryonnaire ou c-Myc est exprimé normalement (Sox2Cre;c-mycflox2) Ces embryons, Sox2Cre;c-mycflox2 se développent et grandissent normalement tout en formant un système vasculaire normal, mais meurent à E11.5 à cause d'un sévère manque de cellules hématopoïetiques. De façon très intéressante, la seule population qui semble être présente en nombre à peu près normal dans ces embryons est celle des précurseurs et des cellules souches. Les cellules qui forment cette population prolifèrent normalement mais ne peuvent pas former des colonies in vitro, ce qui montre que ces cellules ont perdu leur activité de cellules souches. Cependant, lorsque nous avons analysé ces cellules plus en détail en éxaminant l'expression des molécules d'intégrine nous avons découvert que l'integrine ß est sur-éxprimée à la surface des cellules c-Myc déficientes. Ceci pourrait indiquer un mécanisme par lequel c-Myc régule des molécules d'adhésion sur les cellules du sang. En conséquence, en absence de c-Myc, l'adhésion et la migration des cellules du sang de l'AGM (Aorte-Gonade-Mésonéphros) vers le foie de l'embryon, à travers le système vasculaire, est compromise. En outre, nous avons pu montrer que les hépatocytes du foie, qui constitue le site principal de formation des cellules hématopoïetiques pendant le développement, est sévèrement atteint dans des Sox2Cre;c-mycflox2 embryons. Ceci n'est pas du à un défaut propre aux cellules hépatiques qui ont perdu c-Myc, mais résulte plutôt de l'absence de cellules hématopoietïques qui normalement colonisent le foie à ce stade du développement. Ces résultats représentent la première preuve directe que le développement des hépatoblastes est dépendant de signaux provenant des cellules du sang. Summary The myc gene is one of the most frequently mutated oncogenes in human tumors. It is found to be mis-regulated in over 70% of all human cancers. However, our knowledge about its physiological role in mammalian development and adulthood remains limited. Recent work in our laboratory showed that c-Myc controls the balance between hematopoietic stem cell (HSC) self-renewal and differentiation in the adult mouse. This is likely due to the capacity of c-Myc to control entry and exit of HSCs from the bone marrow niche by regulating a number of cell adhesion molecules including N-cadherin (Wilson et al., 2004; Wilson and Trumpp 2006). During development knockout studies showed that c-Myc is required for embryonic development beyond embryonic day (E) 9.5. c-Myc deficient embryos are severely reduced in size and show multiple defects including the failure to establish a primitive hematopoietic system (Trumpp et al., 2001). Importantly, we recentry uncovered that placental development also seems to depend on normal c-Myc function, raising the possibility that some if not all of the embryonic defects observed could be mediated indirectly by a nutrition defect caused by placental failure. To address this possibility genetically, we took advantage of the conditional c-mycflox allele (Trumpp et al., 2001) in combination with the Sox2-Cre allele (Hayashi et al., 2002), in which Cre expression is specifically targeted to all epiblast cells by E6.5, while there is little or no Cre activity inextra-embryonic lineages. Thus, this strategy allows the generation of c-Myc deficient embryos, which develop within a normal c-Myc expressing extra-embryonic compartment (Sox2Cre;c-mycflox2) Such Sox2Cre;c-mycflox2 embryos develop and grow appropriately and form a normal vascular system but die at E11.5 due to a severe lack of blood cells. Interestingly, the only hematopoietic population that seems to be present in almost normal numbers in the embryo is the stem/progenitor cell population. Cells within this populatíon proliferate normal but can not give rise to hematopoietic colonies in vitro showing that functional hematopoietic stem cell (HSC) activity is lost. However, when we analyzed these phenotypic HSCs in more detail and examined integrin expression in mutant stem/progenitor cells, we observed that ß1-integrin is upregulated. This may point to a potential mechanism whereby c-Myc regulates adhesíon molecules on hematopoietic cells and thereby disturbs adhesion and migration from the AGM (aorta-gonads-mesonephros) through the vascular system to the liver. Furthermore, we uncovered that the fetal liver, the main site of hematopoietic expansion at that stage, is severely affected in Sox2Cre;c-mycflox2 embryos and that this is not due to a cell intrinsic defect of c-Myc deficient hepatocytes but rather due to the lack of hematopoietic cells that normally colonize the fetal liver at that stage of development. This provides first direct evidence that hepatoblast development depends on signals derived from blood cells.

Calpastatin-mediated inhibition of calpains in the mouse brain prevents mutant ataxin 3 proteolysis, nuclear localization and aggregation, relieving Machado-Joseph disease.

Machado-Joseph disease is the most frequently found dominantly-inherited cerebellar ataxia. Over-repetition of a CAG trinucleotide in the MJD1 gene translates into a polyglutamine tract within the ataxin 3 protein, which upon proteolysis may trigger Machado-Joseph disease. We investigated the role of calpains in the generation of toxic ataxin 3 fragments and pathogenesis of Machado-Joseph disease. For this purpose, we inhibited calpain activity in mouse models of Machado-Joseph disease by overexpressing the endogenous calpain-inhibitor calpastatin. Calpain blockage reduced the size and number of mutant ataxin 3 inclusions, neuronal dysfunction and neurodegeneration. By reducing fragmentation of ataxin 3, calpastatin overexpression modified the subcellular localization of mutant ataxin 3 restraining the protein in the cytoplasm, reducing aggregation and nuclear toxicity and overcoming calpastatin depletion observed upon mutant ataxin 3 expression. Our findings are the first in vivo proof that mutant ataxin 3 proteolysis by calpains mediates its translocation to the nucleus, aggregation and toxicity and that inhibition of calpains may provide an effective therapy for Machado-Joseph disease.

Functional and histopathological identification of the respiratory failure in a DMSXL transgenic mouse model of myotonic dystrophy.

Acute and chronic respiratory failure is one of the major and potentially life-threatening features in individuals with myotonic dystrophy type 1 (DM1). Despite several clinical demonstrations showing respiratory problems in DM1 patients, the mechanisms are still not completely understood. This study was designed to investigate whether the DMSXL transgenic mouse model for DM1 exhibits respiratory disorders and, if so, to identify the pathological changes underlying these respiratory problems. Using pressure plethysmography, we assessed the breathing function in control mice and DMSXL mice generated after large expansions of the CTG repeat in successive generations of DM1 transgenic mice. Statistical analysis of breathing function measurements revealed a significant decrease in the most relevant respiratory parameters in DMSXL mice, indicating impaired respiratory function. Histological and morphometric analysis showed pathological changes in diaphragmatic muscle of DMSXL mice, characterized by an increase in the percentage of type I muscle fibers, the presence of central nuclei, partial denervation of end-plates (EPs) and a significant reduction in their size, shape complexity and density of acetylcholine receptors, all of which reflect a possible breakdown in communication between the diaphragmatic muscles fibers and the nerve terminals. Diaphragm muscle abnormalities were accompanied by an accumulation of mutant DMPK RNA foci in muscle fiber nuclei. Moreover, in DMSXL mice, the unmyelinated phrenic afferents are significantly lower. Also in these mice, significant neuronopathy was not detected in either cervical phrenic motor neurons or brainstem respiratory neurons. Because EPs are involved in the transmission of action potentials and the unmyelinated phrenic afferents exert a modulating influence on the respiratory drive, the pathological alterations affecting these structures might underlie the respiratory impairment detected in DMSXL mice. Understanding mechanisms of respiratory deficiency should guide pharmaceutical and clinical research towards better therapy for the respiratory deficits associated with DM1.

In vivo conditional Pax4 overexpression in mature islet β-cells prevents stress-induced hyperglycemia in mice.

OBJECTIVE To establish the role of the transcription factor Pax4 in pancreatic islet expansion and survival in response to physiological stress and its impact on glucose metabolism, we generated transgenic mice conditionally and selectively overexpressing Pax4 or a diabetes-linked mutant variant (Pax4R129 W) in β-cells. RESEARCH DESIGN AND METHODS Glucose homeostasis and β-cell death and proliferation were assessed in Pax4- or Pax4R129 W-overexpressing transgenic animals challenged with or without streptozotocin. Isolated transgenic islets were also exposed to cytokines, and apoptosis was evaluated by DNA fragmentation or cytochrome C release. The expression profiles of proliferation and apoptotic genes and β-cell markers were studied by immunohistochemistry and quantitative RT-PCR. RESULTS Pax4 but not Pax4R129 W protected animals against streptozotocin-induced hyperglycemia and isolated islets from cytokine-mediated β-cell apoptosis. Cytochrome C release was abrogated in Pax4 islets treated with cytokines. Interleukin-1β transcript levels were suppressed in Pax4 islets, whereas they were increased along with NOS2 in Pax4R129 W islets. Bcl-2, Cdk4, and c-myc expression levels were increased in Pax4 islets while MafA, insulin, and GLUT2 transcript levels were suppressed in both animal models. Long-term Pax4 expression promoted proliferation of a Pdx1-positive cell subpopulation while impeding insulin secretion. Suppression of Pax4 rescued this defect with a concomitant increase in pancreatic insulin content. CONCLUSIONS Pax4 protects adult islets from stress-induced apoptosis by suppressing selective nuclear factor-κB target genes while increasing Bcl-2 levels. Furthermore, it promotes dedifferentiation and proliferation of β-cells through MafA repression, with a concomitant increase in Cdk4 and c-myc expression.

The role of Pten in the Hematopoietic System and the Hematopoietic Stem Cells

Résumé Identification, localisation et activation des cellules souches hématopoiétiques dormantes in vivo Les cellules souches somatiques sont présentes dans la majorité des tissus régénératifs comme la peau, l'épithélium intestinal et le système hématopoiétique. A partir d'une seule cellule, elles ont les capacités de produire d'autres cellules souches du même type (auto-renouvellement) et d'engendrer un ensemble défini de cellules progénitrices différenciées qui vont maintenir ou réparer leur tissu hôte. Les cellules souches adultes les mieux caractérisées sont les cellules souches hématopoiétiques (HSC), localisées dans la moelle osseuse. Un des buts de mon travail de doctorat était de caractériser plus en profondeur la localisation des HSCs endogènes in vivo. Pour ce faire, la technique "label retaining assay", se basant sur la division peu fréquentes et sur la dormance des cellules souches, a été utilisée. Après un marquage des souris avec du BrdU (analogue à l'ADN) suivi d'une longue période sans BrdU, les cellules ayant incorporés le marquage ("label retaining cells" LCRs) ont pu être identifiées dans la moelle osseuse. Ces cellules LCRs étaient enrichies 300 fois en cellules de phenotype HSC et, en utilisant de la cytofluorométrie, il a pu être montré qu'environ 15% de toutes les HSCs d'une souris restent dormantes durant plusieures semaines. Ces HSCs dormantes à long terme ne sont probablement pas impliquées dans la maintenance de 'hématopoièse. Par contre, on assiste à l'activation rapide de ces HSCs dormantes lors d'une blessure, comme une ablation myéloide. Elles re-entrent alors en cycle cellulaire et sont essentielles pour une génération rapide des cellules progénitrices et matures qui vont remplacer les cellules perdues. De plus, la détection des LCRs, combinée avec l'utilisation du marqueur de HSCs c-kit, peut être utilisée pour la localisation des HSCs dormantes présentes dans la paroi endostéale de la cavité osseuse. De manière surprenante, les LCRs c-kit+ ont surtout étés trouvées isolées en cellule unique, suggérant que le micro-environement spécifique entourant et maintenant les HSCs, appelé niche, pourrait être très réduit et abriter une seule HSC par niche. Rôles complexes du gène supresseur de tumeur Pten dans le système hématopoiétique La phosphatase PTEN disparaît dans certains cancers héréditaires ou sporadiques humains, comme les gliomes, les cancers de l'utérus ou du sein. Pten inhibe la voie de signalisation de la PI3-kinase et joue un rôle clé dans l'apoptose, la croissance, la prolifération et la migration cellulaire. Notre but était d'étudier le rôle de Pten dans les HSC normale et durant la formation de leucémies. Pour ce faire, nous avons généré un modèle murin dans lequel le gène Pten peut être supprimé dans les cellules hématopoiétiques, incluant les HSCs. Ceci a été possible en croissant l'allèle conditionnelle ptenflox soit avec le transgène MxCre inductible par l'interféron α soit avec le transgène Scl-CreERt inductible par le tamoxifen. Ceci permet la conversion de l'allèle ptenflox en l'allèle nul PtenΔ dans les HSCs et les autres types cellulaires hématopoiétiques. Les souris mutantes Pten développent une splénomégalie massive causée par une expansion dramatiques de toutes les cellules myéloides. De manière interessante, alors que le nombre de HSCs dans la moelle osseuse diminue progressivement, le nombre des HSCs dans la rate augmente de manière proportionnelle. Etrangement, les analyses de cycle cellulaire ont montrés que Pten n'avait que peu ou pas d'effet sur la dormance des HSCs ou sur leur autorenouvellement. En revanche, une augmentation massive du niveau de la cytokine de mobilisation G-CSF a été détéctée dans le serum sanguin, suggérant que la suppression de Pten stimulerait la mobilisation et la migration des HSC de la moelle osseuse vers la rate. Finallement, la transplantation de moelle osseuse délétée en Pten dans des souris immuno-déficientes montre que Pten fonctionnerait comme un suppresseur de tumeur dans le système hématopoiétique car son absence entraîne la formation rapide de leucémies lymphocytaires. Summary Identification, localization and activation of dormant hematopoietic stun cells in vivo Somatic stem cells are present in most self-renewing tissues including the skin, the intestinal epithelium and the hematopoietic system. On a single cell basis they have the capacity to produce more stem cells of the same phenotype (self-renewal) and to give rise to a defined set of mature differentiated progeny, responsible for the maintenance or repair of the host tissue. The best characterized adult stem cell is the hematopoietic stem cell (HSC) located in the bone marrow. One goal of my thesis work was to further characterize the location of endogenous HSCs in vivo. To do this, a technique called "label retaining assay» was used which takes advantage of the fact that stem cells (including HSCs) divide very infrequently and can be dormant for months. After labeling mice with the DNA analogue BrdU followed by a long BrdU free "chase", BrdU "label retaining cells" (CRCs) could be identified in the bone marrow. These CRCs were 300-fold enriched for phenotypic HSCs and by using flow cytometry analysis it could be shown that about 15% of all HSCs in the mouse are dormant for many weeks. Our results suggest that these long-term dormant HSCs are unlikely to be involved in homeostatic maintenance. However they are rapidly activated and reenter the cell cycle in response to injury signals such as myeloid ablation. In addition, detection of LRCs in combination with the HSC marker c-Kit could be used to locate engrafted dormant HSCs close to the endosteal lining of the bone marrow cavities. Most surprisingly, c-Kit+LRCs were found predominantly as single cells suggesting that the specific stem cell maintaining microenvironment, called niche, has limited space and may house only single HSCs. Complex roles of the tumor suppressor gene Pten in the hematopoietic system. The phosphatase PTEN is lost in hereditary and sporadic forms of human cancers, including gliomas, endometrial and breast cancers. Pten inhibits the PI3-kina.se pathway and plays a key role in apoptosis, cell growth, proliferation and migration. Our aim was to study the role of Pten in normal HSCs and during leukemia formation. To do this, we generated a mouse model in which the Pten gene can be deleted in hematopoietic cells including HSCs. This was achieved by crossing the conditional ptenflox allele with either the interferona inducible MxCre or the tamoxifen inducible Scl-CreERT transgene. This allowed the conversion of the ptenflox allele into a pterr' null allele in HSCs and other hematopoietic cell types. As a result Pten mutant mice developed massive splenomegaly due to a dramatic expansion of all myeloid cells. Interestingly, while the number of bone marrow HSCs progressively decreased, the number of HSCs in the spleen increased to a similar extent. Unexpectedly, extensive cell cycle analysis showed that Pten had little or no effect on HSC dormancy or HSC self-renewal. Instead, dramatically increased levels of the mobilizing cytokine G-CSF were detected in the blood serum suggesting that loss-of Pten stimulates mobilization and migration of HSC from the BM to the spleen. Finally, transplantation of Pten deficient BM cells into immuno-compromised mice showed that Pten can function as a tumor suppressor in the hematopoietic system and that its absence leads to the rapid formation of T cell leukemia.

Impaired skin wound healing in peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)alpha and PPARbeta mutant mice.

We show here that the alpha, beta, and gamma isotypes of peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) are expressed in the mouse epidermis during fetal development and that they disappear progressively from the interfollicular epithelium after birth. Interestingly, PPARalpha and beta expression is reactivated in the adult epidermis after various stimuli, resulting in keratinocyte proliferation and differentiation such as tetradecanoylphorbol acetate topical application, hair plucking, or skin wound healing. Using PPARalpha, beta, and gamma mutant mice, we demonstrate that PPARalpha and beta are important for the rapid epithelialization of a skin wound and that each of them plays a specific role in this process. PPARalpha is mainly involved in the early inflammation phase of the healing, whereas PPARbeta is implicated in the control of keratinocyte proliferation. In addition and very interestingly, PPARbeta mutant primary keratinocytes show impaired adhesion and migration properties. Thus, the findings presented here reveal unpredicted roles for PPARalpha and beta in adult mouse epidermal repair.