Trans-SNARE pairing can precede a hemifusion intermediate in intracellular membrane fusion.

The question concerning whether all membranes fuse according to the same mechanism has yet to be answered satisfactorily. During fusion of model membranes or viruses, membranes dock, the outer membrane leaflets mix (termed hemifusion), and finally the fusion pore opens and the contents mix. Viral fusion proteins consist of a membrane-disturbing 'fusion peptide' and a helical bundle that pin the membranes together. Although SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor) complexes form helical bundles with similar topology, it is unknown whether SNARE-dependent fusion events on intracellular membranes proceed through a hemifusion state. Here we identify the first hemifusion state for SNARE-dependent fusion of native membranes, and place it into a sequence of molecular events: formation of helical bundles by SNAREs precedes hemifusion; further progression to pore opening requires additional peptides. Thus, SNARE-dependent fusion may proceed along the same pathway as viral fusion: both use a docking mechanism via helical bundles and additional peptides to destabilize the membrane and efficiently induce lipid mixing. Our results suggest that a common lipidic intermediate may underlie all fusion reactions of lipid bilayers.

Transition from hemifusion to pore opening is rate limiting for vacuole membrane fusion.

Fusion pore opening and expansion are considered the most energy-demanding steps in viral fusion. Whether this also applies to soluble N-ethyl-maleimide sensitive fusion protein attachment protein receptor (SNARE)- and Rab-dependent fusion events has been unknown. We have addressed the problem by characterizing the effects of lysophosphatidylcholine (LPC) and other late-stage inhibitors on lipid mixing and pore opening during vacuole fusion. LPC inhibits fusion by inducing positive curvature in the bilayer and changing its biophysical properties. The LPC block reversibly prevented formation of the hemifusion intermediate that allows lipid, but not content, mixing. Transition from hemifusion to pore opening was sensitive to guanosine-5'-(gamma-thio)triphosphate. It required the vacuolar adenosine triphosphatase V0 sector and coincided with its transformation. Pore opening was rate limiting for the reaction. As with viral fusion, opening the fusion pore may be the most energy-demanding step for intracellular, SNARE-dependent fusion reactions, suggesting that fundamental aspects of lipid mixing and pore opening are related for both systems.

Dynamin-SNARE interactions control trans-SNARE formation in intracellular membrane fusion.

The fundamental processes of membrane fission and fusion determine size and copy numbers of intracellular organelles. Although SNARE proteins and tethering complexes mediate intracellular membrane fusion, fission requires the presence of dynamin or dynamin-related proteins. Here we study these reactions in native yeast vacuoles and find that the yeast dynamin homologue Vps1 is not only an essential part of the fission machinery, but also controls membrane fusion by generating an active Qa SNARE-tethering complex pool, which is essential for trans-SNARE formation. Our findings provide new insight into the role of dynamins in membrane fusion by directly acting on SNARE proteins.

Relative protein quantification by isobaric SILAC with immonium ion splitting (ISIS)

Metabolic labeling techniques have recently become popular tools for the quantitative profiling of proteomes. Classical stable isotope labeling with amino acids in cell cultures (SILAC) uses pairs of heavy/light isotopic forms of amino acids to introduce predictable mass differences in protein samples to be compared. After proteolysis, pairs of cognate precursor peptides can be correlated, and their intensities can be used for mass spectrometry-based relative protein quantification. We present an alternative SILAC approach by which two cell cultures are grown in media containing isobaric forms of amino acids, labeled either with 13C on the carbonyl (C-1) carbon or 15N on backbone nitrogen. Labeled peptides from both samples have the same nominal mass and nearly identical MS/MS spectra but generate upon fragmentation distinct immonium ions separated by 1 amu. When labeled protein samples are mixed, the intensities of these immonium ions can be used for the relative quantification of the parent proteins. We validated the labeling of cellular proteins with valine, isoleucine, and leucine with coverage of 97% of all tryptic peptides. We improved the sensitivity for the detection of the quantification ions on a pulsing instrument by using a specific fast scan event. The analysis of a protein mixture with a known heavy/light ratio showed reliable quantification. Finally the application of the technique to the analysis of two melanoma cell lines yielded quantitative data consistent with those obtained by a classical two-dimensional DIGE analysis of the same samples. Our method combines the features of the SILAC technique with the advantages of isobaric labeling schemes like iTRAQ. We discuss advantages and disadvantages of isobaric SILAC with immonium ion splitting as well as possible ways to improve it

Precursor ion scans for the targeted detection of stable-isotope-labeled peptides.

Stable isotope labels are routinely introduced into proteomes for quantification purposes. Full labeling of cells in varying biological states, followed by sample mixing, fractionation and intensive data acquisition, is used to obtain accurate large-scale quantification of total protein levels. However, biological processes often affect only a small group of proteins for a short time, resulting in changes that are difficult to detect against the total proteome background. An alternative approach could be the targeted analysis of the proteins synthesized in response to a given biological stimulus. Such proteins can be pulse-labeled with a stable isotope by metabolic incorporation of 'heavy' amino acids. In this study we investigated the specific detection and identification of labeled proteins using acquisition methods based on Precursor Ion Scans (PIS) on a triple-quadrupole ion trap mass spectrometer. PIS-based methods were set to detect unique immonium ions originating from labeled peptides. Different labels and methods were tested in standard mixtures to optimize performance. We showed that, in comparison with an untargeted analysis on the same instrument, the approach allowed a several-fold increase in the specificity of detection of labeled proteins over unlabeled ones. The technique was applied to the identification of proteins secreted by human cells into growth media containing bovine serum proteins, allowing the preferential detection of labeled cellular proteins over unlabeled bovine ones. However, compared with untargeted acquisitions on two different instruments, the PIS-based strategy showed some limitations in sensitivity. We discuss possible perspectives of the technique.

Sequential analysis of trans-SNARE formation in intracellular membrane fusion.

SNARE complexes are required for membrane fusion in the endomembrane system. They contain coiled-coil bundles of four helices, three (Q(a), Q(b), and Q(c)) from target (t)-SNAREs and one (R) from the vesicular (v)-SNARE. NSF/Sec18 disrupts these cis-SNARE complexes, allowing reassembly of their subunits into trans-SNARE complexes and subsequent fusion. Studying these reactions in native yeast vacuoles, we found that NSF/Sec18 activates the vacuolar cis-SNARE complex by selectively displacing the vacuolar Q(a) SNARE, leaving behind a Q(bc)R subcomplex. This subcomplex serves as an acceptor for a Q(a) SNARE from the opposite membrane, leading to Q(a)-Q(bc)R trans-complexes. Activity tests of vacuoles with diagnostic distributions of inactivating mutations over the two fusion partners confirm that this distribution accounts for a major share of the fusion activity. The persistence of the Q(bc)R cis-complex and the formation of the Q(a)-Q(bc)R trans-complex are both sensitive to the Rab-GTPase inhibitor, GDI, and to mutations in the vacuolar tether complex, HOPS (HOmotypic fusion and vacuolar Protein Sorting complex). This suggests that the vacuolar Rab-GTPase, Ypt7, and HOPS restrict cis-SNARE disassembly and thereby bias trans-SNARE assembly into a preferred topology.

Determination of radionuclide levels in rainwater using ion exchange resin and gamma-spectrometry.

The evaluation of radioactivity accidentally released into the atmosphere involves determining the radioactivity levels of rainwater samples. Rainwater scavenges atmospheric airborne radioactivity in such a way that surface contamination can be deduced from rainfall rate and rainwater radioactivity content. For this purpose, rainwater is usually collected in large surface collectors and then measured by gamma-spectrometry after such treatments as evaporation or iron hydroxide precipitation. We found that collectors can be adapted to accept large surface (diameter 47mm) cartridges containing a strongly acidic resin (Dowex AG 88) which is able to quantitatively extract radioactivity from rainwater, even during heavy rainfall. The resin can then be measured by gamma-spectrometry. The detection limit is 0.1Bq per sample of resin (80g) for (137)Cs. Natural (7)Be and (210)Pb can also be measured and the activity ratio of both radionuclides is comparable with those obtained through iron hydroxide precipitation and air filter measurements. Occasionally (22)Na has also been measured above the detection limit. A comparison between the evaporation method and the resin method demonstrated that 2/3 of (7)Be can be lost during the evaporation process. The resin method is simple and highly efficient at extracting radioactivity. Because of these great advantages, we anticipate it could replace former rainwater determination methods. Moreover, it does not necessitate the transportation of large rainwater volumes to the laboratory.

Trace element partitioning in HP-LT metamorphic assemblages during subduction-related metamorphism, Ile de Groix, France: a detailed LA-ICPMS study

Devolatilization reactions and subsequent transfer of fluid from subducted oceanic crust into the overlying mantle wedge are important processes, which are responsible for the specific geochemical characteristics of subduction-related metamorphic rocks, as well as those of arc magmatism. To better understand the geochemical fingerprint induced by fluid mobilization during dehydration and rehydration processes related to subduction zone metamorphism, the trace element and rare earth element (REE) distribution patterns in HP-LT metamorphic assemblages in eclogite-, blueschist- and greenschist-facies rocks of the Ile de Groix were obtained by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICPMS) analysis. This study focuses on 10 massive basic rocks representing former hydrothermally altered mid-ocean ridge basalts (MORB), four banded basic rocks of volcano-sedimentary origin and one micaschist. The main hosts for incompatible trace elements are epidote (REE, Th, U, Pb, Sr), garnet [Y, heavy REE (HREE)], phengite (Cs, Rb, Ba, B), titanite [Ti, Nb, Ta, REE; HREE > LREE (light REE)], rutile (Ti, Nb, Ta) and apatite (REE, Sr). The trace element contents of omphacite, amphibole, albite and chlorite are low. The incompatible trace element contents of minerals are controlled by the stable metamorphic mineral assemblage and directly related to the appearance, disappearance and reappearance of minerals, especially epidote, garnet, titanite, rutile and phengite, during subduction zone metamorphism. Epidote is a key mineral in the trace element exchange process because of its large stability field, ranging from lower greenschist- to blueschist- and eclogite-facies conditions. Different generations of epidote are generally observed and related to the coexisting phases at different stages of the metamorphic cycle (e.g. lawsonite, garnet, titanite). Epidote thus controls most of the REE budget during the changing P-T conditions along the prograde and retrograde path. Phengite also plays an important role in determining the large ion lithophile element (LILE) budget, as it is stable to high P-T conditions. The breakdown of phengite causes the release of LILE during retrogression. A comparison of trace element abundances in whole-rocks and minerals shows that the HP-LT metamorphic rocks largely retain the geochemical characteristics of their basic, volcano-sedimentary and pelitic protoliths, including a hydrothermal alteration overprint before the subduction process. A large part of the incompatible trace elements remained trapped in the rocks and was recycled within the various metamorphic assemblages stable under changing metamorphic conditions during the subduction process, indicating that devolatilization reactions in massive basic rocks do not necessarily imply significant simultaneous trace element and REE release.

Mutual control of membrane fission and fusion proteins.

Membrane fusion and fission are antagonistic reactions controlled by different proteins. Dynamins promote membrane fission by GTP-driven changes of conformation and polymerization state, while SNAREs fuse membranes by forming complexes between t- and v-SNAREs from apposed vesicles. Here, we describe a role of the dynamin-like GTPase Vps1p in fusion of yeast vacuoles. Vps1p forms polymers that couple several t-SNAREs together. At the onset of fusion, the SNARE-activating ATPase Sec18p/NSF and the t-SNARE depolymerize Vps1p and release it from the membrane. This activity is independent of the SNARE coactivator Sec17p/alpha-SNAP and of the v-SNARE. Vps1p release liberates the t-SNAREs for initiating fusion and at the same time disrupts fission activity. We propose that reciprocal control between fusion and fission components exists, which may prevent futile cycles of fission and fusion.

Cointegrase, a naturally occurring, truncated form of IS21 transposase, catalyzes replicon fusion rather than simple insertion of IS21.

The bacterial insertion sequence IS21 contains two genes, istA and istB, which are organized as an operon. IS21 spontaneously forms tandem repeats designated (IS21)2. Plasmids carrying (IS21)2 react efficiently with other replicons, producing cointegrates via a cut-and-paste mechanism. Here we show that transposition of a single IS21 element (simple insertion) and cointegrate formation involving (IS21)2 result from two distinct non-replicative pathways, which are essentially due to two differentiated IstA proteins, transposase and cointegrase. In Escherichia coli, transposase was characterized as the full-length, 46 kDa product of the istA gene, whereas the 45 kDa cointegrase was expressed, in-frame, from a natural internal translation start of istA. The istB gene, which could be experimentally disconnected from istA, provided a helper protein that strongly stimulated the transposase and cointegrase-driven reactions. Site-directed mutagenesis was used to express either cointegrase or transposase from the istA gene. Cointegrase promoted replicon fusion at high frequencies by acting on IS21 ends which were linked by 2, 3, or 4 bp junction sequences in (IS21)2. By contrast, cointegrase poorly catalyzed simple insertion of IS21 elements. Transposase had intermediate, uniform activity in both pathways. The ability of transposase to synapse two widely spaced IS21 ends may reside in the eight N-terminal amino acid residues which are absent from cointegrase. Given the 2 or 3 bp spacing in naturally occurring IS21 tandems and the specialization of cointegrase, the fulminant spread of IS21 via cointegration can now be understood.

Trypsin cleaves acid-sensing ion channel 1a in a domain that is critical for channel gating.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal Na(+) channels that are members of the epithelial Na(+) channel/degenerin family and are transiently activated by extracellular acidification. ASICs in the central nervous system have a modulatory role in synaptic transmission and are involved in cell injury induced by acidosis. We have recently demonstrated that ASIC function is regulated by serine proteases. We provide here evidence that this regulation of ASIC function is tightly linked to channel cleavage. Trypsin cleaves ASIC1a with a similar time course as it changes ASIC1a function, whereas ASIC1b, whose function is not modified by trypsin, is not cleaved. Trypsin cleaves ASIC1a at Arg-145, in the N-terminal part of the extracellular loop, between a highly conserved sequence and a sequence that is critical for ASIC1a inhibition by the venom of the tarantula Psalmopoeus cambridgei. This channel domain controls the inactivation kinetics and co-determines the pH dependence of ASIC gating. It undergoes a conformational change during inactivation, which renders the cleavage site inaccessible to trypsin in inactivated channels.

The Mont Collon mafic complex (Austroalpine Dent Blanche nappe) : permian evolution of the Western European mantle

Résumé: Le complexe du Mont Collon (nappe de la Dent Blanche, Austroalpin) est l'un des exemples les mieux préservés du magmatisme mafique permien des Alpes occidentales. Il est composé d'affleurements discontinus et d'une stratification magmatique en son centre (Dents de Bertol) et est composé à 95% de roches mafiques cumulatives (gabbros à olivine et/ou cpx, anorthositiques, troctolites, wehrlites et wehrlites à plagioclase) et localement de quelques gabbros pegmatitiques. Ces faciès sont recoupés par de nombreux filons acides (aphtes, pegmatites quartziques, microgranodiorites et filons anorthositiques) et mafiques tardifs (dikes mélanocrates riches en Fe et Ti). Les calculs thermométriques (équilibre olivine-augite) montrent des températures de 1070-1120 ± 6°C, tandis que le thermomètre amphibole-plagioclase indique une température de 740 ± 40°C à 0.5 GPa pour les amphiboles magmatiques tardives. La geobarométrie sur pyroxène donne des pressions moyennes de 0.3-0.6 GPa, indiquant un emplacement dans la croûte moyenne. De plus, les températures obtenues sur des amphiboles coronitiques indiquent des températures de l'ordre de 700 ± 40°C confirmant que les réactions coronitiques apparaissent dans des conditions subsolidus. Les âges concordants U/Pb sur zircons de 284.2 ± 0.6 et 282.9 ± 0.6 Ma obtenus sur un gabbro pegmatitique et une pegmatitique quartzique, sont interprétés comme des âges de cristallisation. Les datations 40Ar/39Ar sur amphiboles des filons mélanocrates donnent un âge plateau de 260.2 ± 0.7 Ma, qui est probablement très proche de l'âge de cristallisation. Ainsi, cet age 40Ar/39Ar indique un second évènement magmatique au sein du complexe. Les compositions des roches totales en éléments majeurs et traces montrent peu de variations, ainsi que le Mg# (75-80). Les éléments traces enregistrent le caractère cumulatif des roches (anomalie positive en Eu) et révèlent des anomalies négatives systématiques en Nb, Ta, Zr, Hf et Ti dans les faciès basiques. Le manque de corrélation entre éléments majeurs et traces est caractéristique d'un processus de cristallisation in situ impliquant une quantité variable de liquide interstitiel (L) entre les phases cumulus. Les distributions des éléments traces dans les minéraux sont homogènes, indiquant une rééquilibration .subsolidus entre cristaux et liquide interstitiel. Un modèle quantitatif basé sur les équations de cristallisation in situ de Langmuir reproduisent correctement les concentrations en terres rares légères des minéraux cumulatifs montrant la présence de 0 à 35% de liquide interstitiel L pour des degrés de différenciation F de 0 à 45%, par rapport au faciès les moins évolués du complexe. En outre, les valeurs de L sont bien corrélées avec les proportions modales d'amphibole interstitielle et les concentrations en éléments incompatibles des roches (Zr, Nb). Le liquide parental calculé des cumulats du Mont Collon est caractérisé par un enrichissement relatif en terres rares légères et Th, un appauvrissement en terres rares lourdes typique d'une affinité transitionnelle (T-MORB) et une forte anomalie négative en Nb-Ta. Les roches cumulatives montrent des compositions isotopiques en Nd-Sr proches de la terre globale silicatée (BSE), soit 0.6<εNdi<+3.2, 0.7045<87Sr/86Sri<0.7056. Les rapports initiaux en Pb indiquent une source dans le manteau enrichi subcontinental lithosphérique, préalablement contaminé par des sédiments océaniques. Les dikes mélanocrates Fe-Ti sont représentatifs de liquides et ont des spectres de terres rares enrichis, une anomalie positive en Nb-Ta et des εNdi de +7, des 87Sr/86Sri de 0.703 et des rapports initiaux en Pb, similaires à ceux des basaltes d'île océanique, indiquant une source asthénosphérique modérément appauvrie. Ainsi, la fusion partielle du manteau lithosphérique subcontinental est induite par l'amincissement post-orogénique et la remontée de l'asthénosphère. Les filons mélanocrates proviennent, après délamination du manteau lithosphérique, de la fusion de l'asthénosphère. Abstract The early Permian Mont Collon mafic complex (Dent Blanche nappe, Austroalpine nappe system) is one of the best preserved examples of the Permian mafic magmatism in the Western Alps. It is composed of discontinuous exposures and a well-preserved magmatic layering (the Dents de Bertol cliff) crops out in the center part of the complex. It mainly consists of cumulative mafic rocks, which represent 95 vol-% of the mafic complex (ol- and cpx-bearing gabbros and rare anorthositic layers, troctolites, wehrlites and plagioclase-wehrlites) and locally pegmatitic gabbros. All these facies are crosscut by widespread acidic (aplites, quartz-rich pegmatites, microgranodiorites) and late mafic Fe-Ti melanocratic dikes. Olivine-augite thermometric calculations yield a range of 1070-1120 ± 6°C, while amphibole-plagioclase thermometer yields a temperature of 740 ± 40°C at 0.5 GPa. Pyroxene geobarometry points to a pressure of 0.3-0.6 GPa, indicating a middle crustal level of emplacement. Moreover, temperature calculations on the Mont Conon coronitic amphiboles indicate temperatures of 700 ± 40°C, close to those calculated for magmatic amphiboles. These temperatures confirm that coronitic reactions occurred at subsolidus conditions. ID-TIMS U/Pb zircon ages of 284.2 ± 0.6 and 282.9 ± 0.6 Ma obtained on a pegmatitic gabbro and a quartz-pegmatitic dike, respectively, were interpreted as the crystallization ages of these rocks. 40Ar/39Ar dating on amphiboles from Fe-Ti melanocratic dikes yields a plateau age of 260.2 ± 0.7 Ma, which is probably very close to the crystallization age. Consequently, this 40Ar/P39Ar age indicates a second magmatic event. Whole-rock major- and trace-element compositions show little variation across the whole intrusion and Mg-number stays within a narrow range (75-80). Trace-element concentrations record the cumulative nature of the rocks (e.g. positive Eu anomaly) and reveal systematic Nb, Ta, Zr, Hf and Ti negative anomalies for all basic facies. The lack of correlation between major and trace elements is characteristic of an in situ crystallization process involving variable amounts of interstitial liquid (L) trapped between the cumulus mineral phases. LA-ICPMS measurements show that trace-element distributions in minerals are homogeneous, pointing to subsolidus re-equilibration between crystals and interstitial melts. A quantitative modeling based on Langmuir's in situ crystallization equation successfully reproduced the Rare Earth Element (REE) concentrations in cumulitic minerals. The calculated amounts of interstitial liquid L vary between 0 and 35% for degrees of differentiation F of 0 to 45%, relative to the least evolved facies of the intrusion. Furthermore, L values are well correlated with the modal proportions of interstitial amphibole and whole-rock incompatible trace-element concentrations (e.g. Zr, Nb) of the tested samples. The calculated parental melt of the Mont Collon cumulates is characterized by a relative enrichment in Light REE and Th, a depletion in Heavy REE, typical of a transitional affinity (T-MORB), and strong negative Nb-Ta anomaly. Cumulative rocks display Nd-Sr isotopic compositions close to the BSE (-0.6 < εNdi < +3.2, 0.7045 < 87Sr/86Sri < 0.7056). Initial Pb ratios point to an origin from the melting of an enriched subcontinental lithospheric mantle source, previously contaminated at the source by oceanic sediments. The contrasted alkaline Fe-Ti melanocratic dikes are representative of liquids. They display enriched fractionated REE patterns, a positive Nb-Ta anomaly and εNdi of +7, 87Sr/86Sri of 0.703 and initial Pb ratios, all reminiscent of Ocean Island Basalt-type rocks, pointing to a moderately

Development of a bifunctional CD1d-anti-HER2 scFv fusion molecule to redirect the iNKT cell-mediated immune response to the tumor site

Abstract : Invariant natural killer T lymphocytes (iNKT) are a unique subpopulation of T lymphocytes recognizing glycolipid antigens in the context of the MHC class I-like molecule CD1d. Upon activation with the high affinity ligand α-galactosylceramide (αGalCer), iNKT cells rapidly produce large amounts of the pro-inflammatory cytokine interferon gamma (IFN-γ) and potently activate cells of the innate and adaptive immune response, such as dendritic cells (DCs), NK and T cells. In this context, iNKT cells have been shown to efficiently mediate antitumor activity, and recent research has focused on the manipulation of these cells for antitumor therapies. However, a major drawback of αGalCer as a free drug is that a single injection of this ligand leads to a short-lived iNKT cell activation followed by a long-term anergy, limiting its therapeutic use. In contrast, we demonstrate here that when αGalCer is loaded on a recombinant soluble CD1d molecule (αGalCer/sCD1d), repeated injections lead to a sustained iNKT and NK cell activation associated with IFN-γ secretion as well as with DC maturation. Most importantly, when the αGalCer/sCD1d is fused to an anti-HER2 scFv antibody fragment, potent inhibition of experimental lung metastasis and established subcutaneous tumors is obtained when systemic treatment is started two to seven days after the injection of HER2-expressing B16 melanoma cells, whereas at this time free αGalCer has no effect. The antitumor activity of the sCD1d-anti-HER2 fusion protein is associated with HER2-specific tumor localization and accumulation of iNKT, NK and T cells at the tumor site. Importantly, active T cell immunization combined with the sCD1d-anti-HER2 treatment leads to the accumulation of antigen-specific CD8 T cells exclusively in HER2-expressing tumors, resulting in potent tumor inhibition. In conclusion, sustained activation and tumor targeting of iNKT cells by recombinant αGalCer/sCD1d molecules thus may promote a combined innate and adaptive immune response at the tumor site that may prove to be effective in cancer immunotherapy. RESUME : Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines du complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. En revanche, l'étude présentée ici démontre que, si l'αGalCer est chargé sur des molécules récombinantes soluble CD1d (αGalCer/sCDld), des injections répétées aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si on fusionne la molécule αGalCer/sCD1d avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. De plus, une immunisation active combinée avec le traitement sCD1d-anti-HER2 aboutit à une accumulation des lymphocytes T CD8 spécifiques de l'antigène d'immunisation, ceci exclusivement dans des tumeurs qui expriment l'antigène HER2. Cette combinaison résulte dans une activité anti-tumeur accrue. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules recombinantes αGalCer/sCDld conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC : Le cancer est une cause majeure de décès dans le monde. Sur un total de 58 millions de décès enregistrés au niveau mondial en 2005, 7,6 millions (soit 13%) étaient dus au cancer. Les principaux traitements de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. Néanmoins, ces traitements nuisent aussi aux cellules normales de notre corps et parfois, ils ne suffisent pas pour éliminer définitivement une tumeur. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches pour la lutte contre le cancer et elle vise à exploiter la spécificité du système immunitaire qui peut distinguer des cellules normales et tumorales. Une cellule exprimant un marqueur tumoral (antigène) peut être reconnue par le système immunitaire humoral (anticorps) et/ou cellulaire, induisant une réponse spécifique contre la tumeur. L'immunothérapie peut s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la prolifération des cellules tumorales exprimant l'antigène. Aujourd'hui, six anticorps monoclonaux non-conjugés sont approuvés en clinique. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements sont souvent combinés avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et exploiter par immunisation active le développement de lymphocytes T cytotoxiques (CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. De telles «vaccinations »sont actuellement testées en clinique, mais jusqu'à présent elles n'ont pas abouti aux résultats satisfaisants. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (CHM I). Cependant les cellules tumorales sont peu efficace dans la présentation d'antigène, car souvent elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des molécules d'histocompatibilité de classe I, et expriment peu ou pas de molécules d'adhésion et de cytokines costimulatrices. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL spécifiquement dirigés contre des antigènes tumoraux, les régressions tumorales obtenus grâce à ces vaccinations sont relativement rares. Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines CMH I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. Notre groupe de recherche a donc eu l'idée de développer une nouvelle approche thérapeutique où la réponse immunitaire des cellules iNKT serait prolongée et redirigée vers la tumeur par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons produit des molécules récombinantes soluble CD1d (sCD1d) qui, si elles sont chargés avec l'αGalCer (αGalCer/sCDld), aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si la molécule αGalCer/sCD1d est fusionnée avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, la réponse immunitaire est redirigée à la tumeur pour autant que les cellules cancéreuses expriment l'antigène HER2. Les molécules αGalCer/sCDld ainsi présentées activent les lymphocytes iNKT. Avec cette stratégie, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées, même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules récombinantes αGalCer/sCD1d conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer.

HARNESSING iNKT CELLS WITH RECOMBINANT CD1d FUSION PROTEINS TO REDIRECT INNATE AND ADAPTIVE IMMUNITY TO THE TUMOR

Les thérapies du cancer, comme la radiothérapie et la chimiothérapie, sont couramment utilisées mais ont de nombreux effets secondaires. Ces thérapies invasives pour le patient nécessitent d'être améliorées et de nombreuses avancées ont été faites afin d'adapter et de personnaliser le traitement du cancer. L'immunothérapie a pour but de renforcer le système immunitaire du patient et de le rediriger de manière spécifique contre la tumeur. Dans notre projet, nous activons les lymphocytes Invariant Natural Killer T (iNKT) afin de mettre en place une immunothérapie innovatrice contre le cancer. Les cellules iNKT sont une unique sous-population de lymphocytes T qui ont la particularité de réunir les propriétés de l'immunité innée ainsi qu'adaptative. En effet, les cellules iNKT expriment à leur surface des molécules présentes aussi sur les cellules tueuses NK, caractéristique de l'immunité innée, ainsi qu'un récepteur de cellules T (TCR) qui représente l'immunité adaptative. Les cellules iNKT reconnaissent avec leur TCR des antigènes présentés par la molécule CD1d. Les antigènes sont des protéines, des polysaccharides ou des lipides reconnus par les cellules du système immunitaire ou les anticorps pour engendrer une réponse immunitaire. Dans le cas des cellules iNKT, l'alpha-galactosylceramide (αGC) est un antigène lipidique fréquemment utilisé dans les études cliniques comme puissant activateur. Après l'activation des cellules iNKT avec l'αGC, celles-ci produisent abondamment et rapidement des cytokines. Ces cytokines sont des molécules agissant comme des signaux activateurs d'autres cellules du système immunitaire telles que les cellules NK et les lymphocytes T. Cependant, les cellules iNKT deviennent anergiques après un seul traitement avec l'αGC c'est à dire qu'elles ne peuvent plus être réactivées, ce qui limite leur utilisation dans l'immunothérapie du cancer. Dans notre groupe, Stirnemann et al ont publié une molécule recombinante innovante, composée de la molécule CD1d soluble et chargée avec le ligand αGC (αGC/sCD1d). Cette protéine est capable d'activer les cellules iNKT tout en évitant l'anergie. Dans le système immunitaire, les anticorps sont indispensables pour combattre une infection bactérienne ou virale. En effet, les anticorps ont la capacité de reconnaître et lier spécifiquement un antigène et permettent l'élimination de la cellule qui exprime cet antigène. Dans le domaine de l'immunothérapie, les anticorps sont utilisés afin de cibler des antigènes présentés seulement par la tumeur. Ce procédé permet de réduire efficacement les effets secondaires lors du traitement du cancer. Nous avons donc fusionné la protéine recombinante αGC/CD1d à un fragment d'anticorps qui reconnaît un antigène spécifique des cellules tumorales. Dans une étude préclinique, nous avons démontré que la protéine αGC/sCD1d avec un fragment d'anticorps dirigé contre la tumeur engendre une meilleure activation des cellules iNKT et entraîne un effet anti-tumeur prolongé. Cet effet anti-tumeur est augmenté comparé à une protéine αGC/CD1d qui ne cible pas la tumeur. Nous avons aussi montré que l'activation des cellules iNKT avec la protéine αGC/sCD1d-anti-tumeur améliore l'effet anti- tumoral d'un vaccin pour le cancer. Lors d'expériences in vitro, la protéine αGC/sCD1d-anti- tumeur permet aussi d'activer les cellules humaines iNKT et ainsi tuer spécifiquement les cellules tumorales humaines. La protéine αGC/sCD1d-anti-tumeur représente une alternative thérapeutique prometteuse dans l'immunothérapie du cancer. - Les cellules Invariant Natural Killer T (iNKT), dont les effets anti-tumoraux ont été démontrés, sont de puissants activateurs des cellules Natural Killer (NK), des cellules dendritiques (DC) et des lymphocytes T. Cependant, une seule injection du ligand de haute affinité alpha-galactosylceramide (αGC) n'induit une forte activation des cellules iNKT que durant une courte période. Celle-ci est alors suivie d'une longue phase d'anergie, limitant ainsi leur utilisation pour la thérapie. Comme alternative prometteuse, nous avons montré que des injections répétées d'αGC chargé sur une protéine recombinante de CD1d soluble (αGC/sCD1d) chez la souris entraînent une activation prolongée des cellules iNKT, associée à une production continue de cytokine. De plus, le maintien de la réactivité des cellules iNKT permet de prolonger l'activité anti-tumorale lorsque la protéine αGC/sCD1d est fusionnée à un fragment d'anticorps (scFv) dirigé contre la tumeur. L'inhibition de la croissance tumorale n'est optimale que lorsque les souris sont traitées avec la protéine αGC/sCD1d-scFv ciblant la tumeur, la protéine αGC/sCD1d-scFv non-appropriée étant moins efficace. Dans le système humain, les protéines recombinantes αGC/sCD1d-anti-HER2 et anti-CEA sont capables d'activer et de faire proliférer des cellules iNKT à partir de PBMCs issues de donneurs sains. De plus, la protéine αGC/sCD1d-scFv a la capacité d'activer directement des clones iNKT humains en l'absence de cellules présentatrices d'antigènes (CPA), contrairement au ligand αGC libre. Mais surtout, la lyse des cellules tumorales par les iNKT humaines n'est obtenue que lorsqu'elles sont incubées avec la protéine αGC/sCD1d-scFv anti- tumeur. En outre, la redirection de la cytotoxicité des cellules iNKT vers la tumeur est supérieure à celle obtenue avec une stimulation par des CPA chargées avec l'αGC. Afin d'augmenter les effets anti-tumoraux, nous avons exploité la capacité des cellules iNKT à activer l'immunité adaptive. Pour ce faire, nous avons combiné l'immunothérapie NKT/CD1d avec un vaccin anti-tumoral composé d'un peptide OVA. Des effets synergiques ont été obtenus lorsque les traitements avec la protéine αGC/sCD1d-anti-HER2 étaient associés avec le CpG ODN comme adjuvant pour la vaccination avec le peptide OVA. Ces effets ont été observés à travers l'activation de nombreux lymphocytes T CD8+ spécifique de la tumeur, ainsi que par la forte expansion des cellules NK. Les réponses, innée et adaptive, élevées après le traitement avec la protéine αGC/sCD1d-anti-HER2 combinée au vaccin OVA/CpG ODN étaient associées à un fort ralentissement de la croissance des tumeurs B16- OVA-HER2. Cet effet anti-tumoral corrèle avec l'enrichissement des lymphocytes T CD8+ spécifiques observé à la tumeur. Afin d'étendre l'application des protéines αGC/sCD1d et d'améliorer leur efficacité, nous avons développé des fusions CD1d alternatives. Premièrement, une protéine αGC/sCD1d dimérique, qui permet d'augmenter l'avidité de la molécule CD1d pour les cellules iNKT. Dans un deuxième temps, nous avons fusionné la protéine αGC/sCD1d avec un scFv dirigé contre le récepteur 3 du facteur de croissance pour l'endothélium vasculaire (VEGFR-3), afin de cibler l'environnement de la tumeur. Dans l'ensemble, ces résultats démontrent que la thérapie médiée par la protéine recombinante αGC/sCD1d-scFv est une approche prometteuse pour rediriger l'immunité innée et adaptive vers le site tumoral. - Invariant Natural Killer T cells (iNKT) are potent activators of Natural Killer (NK), dendritic cells (DC) and T lymphocytes, and their anti-tumor activities have been well demonstrated. However, a single injection of the high affinity CD1d ligand alpha-galactosylceramide (αGC) leads to a strong but short-lived iNKT cell activation followed by a phase of long-term anergy, limiting the therapeutic use of this ligand. As a promising alternative, we have demonstrated that when αGC is loaded on recombinant soluble CD1d molecules (αGC/sCD1d), repeated injections in mice led to the sustained iNKT cell activation associated with continued cytokine secretion. Importantly, the retained reactivity of iNKT cell led to prolonged antitumor activity when the αGC/sCD1d was fused to an anti-tumor scFv fragments. Optimal inhibition of tumor growth was obtained only when mice were treated with the tumor-targeted αGC/CD1d-scFv fusion, whereas the irrelevant αGC/CD1d-scFv fusion was less efficient. When tested in a human system, the recombinant αGC/sCD1d-anti-HER2 and -anti-CEA fusion proteins were able to expand iNKT cells from PBMCs of healthy donors. Furthermore, the αGC/sCD1d-scFv fusion had the capacity to directly activate human iNKT cells clones without the presence of antigen-presenting cells (APCs), in contrast to the free αGC ligand. Most importantly, tumor cell killing by human iNKT cells was obtained only when co- incubated with the tumor targeted sCD1d-antitumor scFv, and their direct tumor cytotoxicity was superior to the bystander killing obtained with αGC-loaded APCs stimulation. To further enhance the anti-tumor effects, we exploited the ability of iNKT cells to transactivate the adaptive immunity, by combining the NKT/CD1d immunotherapy with a peptide cancer vaccine. Interestingly, synergistic effects were obtained when the αGC/sCD1d- anti-HER2 fusion treatment was combined with CpG ODN as adjuvant for the OVA peptide vaccine, as seen by higher numbers of activated antigen-specific CD8 T cells and NK cells, as compared to each regimen alone. The increased innate and adaptive immune responses upon combined tumor targeted sCD1d-scFv treatment and OVA/CpG vaccine were associated with a strong delay in B16-OVA-HER2 melanoma tumor growth, which correlated with an enrichment of antigen-specific CD8 cells at the tumor site. In order to extend the application of the CD1d fusion, we designed alternative CD1d fusion proteins. First, a dimeric αGC/sCD1d-Fc fusion, which permits to augment the avidity of the CD1d for iNKT cells and second, an αGC/sCD1d fused to an anti vascular endothelial growth factor receptor-3 (VEGFR-3) scFv, in order to target tumor stroma environment. Altogether, these results demonstrate that the iNKT-mediated immunotherapy via recombinant αGC/sCD1d-scFv fusion is a promising approach to redirect the innate and adaptive antitumor immune response to the tumor site.

Multimeric complexes of the PML-retinoic acid receptor alpha fusion protein in acute promyelocytic leukemia cells and interference with retinoid and peroxisome-proliferator signaling pathways.

The t(15;17) chromosomal translocation, specific for acute promyelocytic leukemia (APL), fuses the PML gene to the retinoic acid receptor alpha (RAR alpha) gene, resulting in expression of a PML-RAR alpha hybrid protein. In this report, we analyzed the nature of PML-RAR alpha-containing complexes in nuclear protein extracts of t(15;17)-positive cells. We show that endogenous PML-RAR alpha can bind to DNA as a homodimer, in contrast to RAR alpha that requires the retinoid X receptor (RXR) dimerization partner. In addition, these cells contain oligomeric complexes of PML-RAR alpha and endogenous RXR. Treatment with retinoic acid results in a decrease of PML-RAR alpha protein levels and, as a consequence, of DNA binding by the different complexes. Using responsive elements from various hormone signaling pathways, we show that PML-RAR alpha homodimers have altered DNA-binding characteristics when compared to RAR alpha-RXR alpha heterodimers. In transfected Drosophila SL-3 cells that are devoid of endogenous retinoid receptors PML-RAR alpha inhibits transactivation by RAR alpha-RXR alpha heterodimers in a dominant fashion. In addition, we show that both normal retinoid receptors and the PML-RAR alpha hybrid bind and activate the peroxisome proliferator-activated receptor responsive element from the Acyl-CoA oxidase gene, indicating that retinoids and peroxisome proliferator receptors may share common target genes. These properties of PML-RAR alpha may contribute to the transformed phenotype of APL cells.