Role of cytokines in secondary lymphoid organ development

Summary Secondary lymphoid organs are sites of antigen presentation, clonal expansion of B and lymphocytes, and affinity maturation of B lymphocytes. In the intestine, these immune functions occur mainly in Peyer's patches (PP). PP develop through the interplay of two main cell types, haematopoietic cells and meserichyrnal cells. One particular haematopoietic cell type was identified as the inductive cell type in the formation of both PP and lymph nodes and was therefore designated as lymphoid tissue inducer cell. For a successful PP organogenesis, the crucial molecular components involved in the crosstalk of inducer cells and their mesenchymal target cells are adhesion molecules, lymphotoxin (LT) family members, and cytokines. In particular, the interleukin 7 receptor (IL-7R) expressed on inducer cells is absolutely required. To investigate the contribution of the ligand for the IL-7R. the cytokine IL-7, in the process of PP formation, we analyzed double transgenic (TG) mice. These mice resulted from an interbreeding of an IL-7TG mouse strain where the transgene is under the control of the MHC class II promoter with a second transgenic mouse strain, which overexpresses a transactivator for MHC class II genes. Double TG offsprings revealed higher levels of IL-7 mRNA occuring earlier in embryogenesis. Consequently, double TG mice showed a striking phenotype with a 3- to 5-fold increase in PP numbers compared to single IL-7TG or control littermates. Analysis of embryonic double TG intestines demonstrated that the process of PP development was already elevated during development as early as the embryonic day 16.5. Importantly, inducer cells were significantly increased in numbers in these embryonic intestines. Furthermore, the expression of LT? mRNA, which at this early time point is exclusively expressed by inducer cells, was also increased in double TG animals. These data clearly indicate a direct influence of IL-7 on the expansion of lymphoid tissue inducer cells and on the availability of LT? leading to a higher frequency of developing PP in fetal life. Interestingly, in addition to an enhanced frequency of PP development, in double TG mice, three additional phenotypic differences were observed. i) Lymphocyte infiltration in various non-lymphoid organs, such as stomach, salivary gland, and liver. Subsequent analysis demonstrated that B lymphocytes were predominant within these tertiary lymphoid structures. ii) Ectopic lymph node-like structures containing both B and T lymphocytes were found near the inguinal lymph node. iii) Double TG mice had a severe bone resorption syndrome most likely as a consequence of the pro-osteoclastic effect of IL-7. Taken together, these results show that IL-7 plays a key role in the homeostasis of inducer cells, in the generation of PP in the gut, in the formation of ectopic lymphoid tissue, and in bone resorption. Résumé Les organes lymphoïdes secondaires sont les lieux de présentation des antigènes aux lymphocytes, permettant l'expansion des lymphocytes B et T et la maturation d'affinité des lymphocytes B. Dans l'intestin, ces fonctions immunitaires se déroulent dans les plaques de Peyer (PP). Ces plaques se développent grâce à l'interaction des cellules hématopoïétiques avec des cellules mésenchymales. Un type particulier de cellules hématopoïétiques a été identifié comme cellule inductrice dans la formation des PP et des ganglions lymphatiques et de ce fait a été désigné cellule inductrice des tissus lymphoïdes. Durant l'organogénèse des PP, les composants moléculaires cruciaux impliqués dans l'interaction des cellules inductrices et des cellules mésenchymales sont les molécules d'adhésion, les membres de la famille des lymphotoxines (LT) et les cytokines. En particulier, le récepteur de l'interleukine 7 (IL-7R) exprimé par les cellules inductrices est absolument nécessaire. Pour étudier le rôle du ligand de l'IL-7R, l'interleukine IL-7, dans la formation des PP, nous avons croisé une lignée de souris transgénique (TG) surexprimant IL-7 sous contrôle du promoteur MHC class Il avec une lignée de souris transgénique surexprimant un transactivateur des genes MHC class II. Les souris doubles TG présentent une concentration élevée d'ARNm de l'IL-7 durant l'embryogénèse, ce qui résulte en une augmentation du nombre de PP de 3 à 5 fois en comparaison aux souris ayant seul le transgène IL-7 et aux souris contrôles. L'analyse des intestins des souris doubles TG démontre que le processus de développement des PP était élevé dès le jour 16.5 du développement embryonnaire. L'augmentation du nombre des cellules inductrices dans ces intestins embryonnaires est signilicative. De plus l'expression de l'ARNm LT?, qui à ce stade précoce est exclusivement exprimé dans les cellules inductrices, est également augmenté dans les doubles TG. Ces résultats indiquent clairement une influence directe d'IL-7 sur l'expansion des cellules inductrices des tissues lymphoïdes et sur la synthèse de LT? induisant une augmentation des PP se développant durant la vie foetale. En plus du développement accru des PP dans les souris doubles TG, trois différences phénotypiques ont été observées. i) L'infiltration lymphocytaire dans différents organes non-lymphoïdes, comme l'estomac, les glandes salivaires et le foie. Des analyses complémentaires ont demontré que les lymphocytes B étaient prédominants dans ces structures lymphoïdes tertiaires. ii) Des structures de ganglions lymphatiques ectopiques contenant des lymphocytes B et T ont été trouvées près des ganglions lymphatiques inguinaux. iii) Les souris doubles TG présentent un syndrome de résorption osseuse sévère probablement dû à l'effet pro-osteoclaste d'IL-7. Globalement, ces résultats montrent que IL-7 joue un rôle clé dans l'homéostasie des cellules inductrices dans la génèse de PP de l'intestin, dans la formation des tissus lymphoïdes ectopiques et dans la résorption osseuse.

Effects of sarcoptic mange on the behaviour of the red fox and influence on other fox-born zoonoses in Geneva, Switzerland

Résumé : Une épidémie de gale sarcoptique (Sarcoptes scabiei) touche le canton de Genève depuis 1996. Nous avons étudié l'impact de cette maladie sur différents caractères comportementaux du renard roux (Vulpes vulpes) : l'écologie alimentaire, les comportements spatiaux et l'activité, ainsi que les contacts sociaux. Nous avons également évalué si la gale pouvait influencer la composition et la transmission de la communauté helminthique intestinale du renard. En effet, cette espèce est l'hôte de parasites qui sont liés à des zoonoses importantes, en particulier le ténia échinocoque du renard (Echinococcus multilocularis) pour lequel Genève est considérée comme une zone de haute endémie. Durant 5 années, des carcasses de renards ont été récoltées sur l'ensemble du canton. Nous les avons disséquées et avons conservé différents échantillons pour des analyses ultérieures. Des données sur le poids, l'âge et le statut reproductif des femelles ont ainsi pu être obtenues. Les contenus stomacaux ont été analysés pour déterminer le régime alimentaire, les intestins pour collecter des helminthes, des échantillons de sang pour faire des sérologies et des échantillons de peau pour récupérer les sarcoptes. Des renards sauvages ont également été capturés et équipés de colliers émetteurs afin de déterminer leur activité et leur utilisation de l'espace. Finalement, nous avons réalisé des affûts sur des terriers et des observations nocturnes à l'aide d'un détecteur thermique afin d'étudier les contacts sociaux. Nous avons ensuite considéré tous ces aspects pour comparer les renards galeux aux individus sains. Trois catégories de gale ont été prises en compte selon l'importance de l'infection. L'épidémie a traversé le canton en 8 ans environ et elle a provoqué une forte diminution des populations de renard. Les animaux malades étaient caractérisés par un poids réduit, ils utilisaient des domaines vitaux réduits et présentaient un rythme d'activité irrégulier. En ce qui concerne le régime alimentaire, les renards galeux avaient souvent des estomacs vides ou contenant peu d'aliments d'origine animale. Cette réduction de l'alimentation ne semble pas seulement être liée à des capacités de prédation réduite, mais également à un désintérêt face à la nourriture. Tous les changements de comportement cités étaient plus marqués chez les animaux soumis à une forte infestation. Dix taxons d'helminthes ont été identifiés dans les intestins des renards analysés. Deux d'entre eux représentent un risque de santé publique: Echinococcus multilocularis et Toxocara carvis. Pour ces helminthes, nous n'avons pas identifié de différences de prévalence entre les renards galeux et les animaux sains, mais la charge parasitaire était significativement supérieure chez les individus galeux, en particulier ceux souffrant d'une infestation importante. Ceci est probablement lié à une susceptibilité accrue des individus qui présentent une condition physique amoindrie et des défenses immunitaire affaiblies. Selon nos résultats, nous pouvons conclure que la gale induit des changements comportementaux importants et que ces changements ont une influence potentielle sur la transmission de la gale elle-même, mais également sur la transmission du reste de la communauté parasitaire de l'hôte. Les individus qui souffrent d'une infestation importante sont susceptibles de provoquer une contamination de l'environnement accrue en ce qui concerne des helminthes pouvant provoquer des zoonoses. La gale apparaît être un facteur à ne pas négliger dans le cadre de la gestion de la faune sauvage, mais également en ce qui concerne des problématiques de santé publique. Summary An epidemic outbreak of sarcoptic mange (Sarcoptes scabiei) has struck the canton of Geneva since 1996. The impact of the disease on various behavioural traits of the main host, the red fox (Vulpes vulpes), was investigated: feeding ecology, spatial behaviour and activity, and social contacts. We also evaluated if mange might have an influence on the composition and transmission of the intestinal helminth community of foxes. Indeed, this species is host of parasites with potential zoonotic importance, particularly the fox tapeworm (Echinococcus multilocularis) for which Geneva is reported as endemic area. During 5 years, red fox carcasses have been collected throughout the canton. They were then dissected and various samples conserved for further analysis. Data on weight, age, and reproductive status of females were obtained. Stomach content were analysed for diet analysis, intestines to recover helminths, blood to proceed to ELISAs and skin samples to check for the presence of Sarcoptes mites. Further, wild foxes were captured and fitted with transmitters in order to determine their activity pattern and space use. Finally, we proceeded to direct observations at dens and using a thermal imaging sensor at night to gain information about social contacts. A comparison between healthy and mangy foxes was made for all these aspects. Three categories of mangy foxes were considered from moderately to severely infected. The epidemic wave crossed the canton in about 8 years and induced a significant reduction in fox densities. Mangy individuals appeared to have reduced body weights, to use more restricted home ranges and exhibited an irregular activity pattern. Regarding food, sick foxes often had empty stomachs and consumed less food items of animal origin. The reduction in food intake appeared to be linked not only to a reduced ability to hunt, but also to a reduced interest in food. The changes observed were particularly pronounced in individuals with severe infestation. Ten helminth taxa were recovered from the intestines on the analysed fox carcasses. Two of them have an importance with regard to human public health: Echinococcus multilocularis and Toxocara cams. The prevalence of these helminths did not differ between healthy and mangy foxes, however the worm burden was significantly higher in mangy foxes, particularly those with severe mange. This is probably linked to an increased susceptibility in individuals with a reduced body condition and weakened immune defences. From our observations, we can conclude that mange induces pronounced behavioural changes in the red fox, and that those changes influence the transmission risks of mange itself, but also of the rest of the parasite community of the host. Individuals with severe mange are for example likely to increase the environment contamination of free living stages of helminths with zoonotic importance. Mange appears thus to represent a factor not to be neglected for the management of wild species and for public health issues.

Role of Notch signalling in intestinal epithelium

Résumé: Chez les mammifères, les intestins sont les organes ayant le plus haut taux de renouvellement cellulaire dans l'organisme. L'épithélium intestinal se renouvelle complètement en moins d'une semaine. Il se compose de projections (villosités) et d'invaginations (cryptes) qui ont toutes deux des fonctions bien distinctes. Les cellules de l'intestin sont constamment produites à partir de cellules souches, situées dans la crypte, qui se différencient en cellules proliférantes transitoires, puis en cellules caliciformes, de Paneth, entéroendocrine ou en entérocytes. Ces cellules migrent dans leurs lieux spécifiques pour accomplir leur fonction physiologique pour finalement mourir. A cours de mon travail de thèse, j'ai étudié le rôle de la voie de signalisation de Notch dans le renouvellement cellulaire et dans le processus de l'homéostase des cellules de l'intestin marin en utilisant le système Cre-loxP pour induire la délétion des gènes Notch1, Notch2, Jaggedl et RBP-Jk. Bien que l'inactivation de Notch1 avec ou sans Jagged1, ou celle de Notch2, n'aboutissent à aucun phénotype, une déficience pour RBP-Jk, ou pour Notch1 et Notch2 simultanément, conduit au développement d'un impressionnant phénotype. Au niveau de la crypte, une rapide et importante modification des cellules apparaît: les cellules proliférantes sont devenues des cellules caliciformes qui ont perdu la capacité de se renouveler. Ces résultats impliquent la voie Notch en tant que nouvelle clé de voûte dans le maintien des cellules qui s'auto-renouvellent dans l'épithélium intestinal. Un rôle similaire a été proposé pour la voie Wnt, laquelle n'est cependant, pas affectée dans nos souris. C'est pourquoi ces deux voies sont essentielles dans le maintien de la prolifération dans les cryptes intestinales. Ce travail a aussi proposé un mécanisme par lequel la voie Notch contrôlerait l'intégrité du cycle cellulaire dans les cellules de la crypte intestinale, ceci en inhibant la transcription d'un inhibiteur du cycle cellulaire, la protéine p27KIP1. De plus, l'inactivation de RBP-Jk dans les adénomes développés par les souris APCmin induisent la différenciation de cellules tumorales en cellules caliciformes. Comme autre effet, la localisation histologique des cellules de Paneth est également affectée par la délétion de RBP-Jk ou de Notch1/Notch2, suggérant un rôle pour la voie Notch dans le compartiment des cellules de Paneth. Finalement, ce travail démontre que les cellules progénitrices de l'intestin ont besoin d'une convergence fonctionnelle des voie Wnt et Notch. Ces résultats préliminaires peuvent être considérés comme un concept pour l'utilisation d'inhibiteurs de secrétase-γ (inhibiteurs de Notch) à des fins thérapeutiques pour les cancers colorectaux. Summary The mammalian intestine has one of the highest cellular turnover rates in the body. The complete intestinal epithelium is renewed in less than a week. It is divided into spatially distinct compartments in the form of finger-like projections (villi) and flask-shaped invaginations (crypts) that are dedicated to specific functions. Intestinal cells are constantly produced from a stem cell reservoir that gives rise to proliferating transient amplifying cells, which subsequently differentiate and home to their specific compartments before dying after having fulfilled their physiological function. In this thesis project, the physiological role of the Notch signalling cascade in the marine intestine was studied. Inducible tissue specific inactivation of Notch1, Notch2, Jagged1 and RBP-Jk genes was applied to assess their role in the maintenance of intestinal homeostasis and cell fate determination. The analysis unequivocally revealed that Notch1, Notch1 and Jagged1 combined as well as Notch2 are dispensable for intestinal homeostasis and lineage differentiation. However, deficiency of RBP-Jk as well as the simultaneous inactivation of both Notch1 and Notch2 receptors unveiled a striking phenotype. In these mice, a rapid and massive conversion of proliferative crypt cells into post-mitotic goblet cells was observed. These results identify the Notch pathway as a key player for the maintenance of the proliferative crypt compartment. A similar role was implicated for the Wnt cascade, which, however, was not affected in the different tissue specific Notch signalling deficient mice. Thus, the Wnt and Notch signalling pathways are essential for the self-renewal capacity of the intestinal epithelium. Furthermore, our results suggest a molecular mechanism for Notch signalling mediated control of cell cycle regulation within the crypt. The Notch cascade inhibits expression of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27KIP1 and thereby maintains proliferation of the intestinal progenitor cells. In addition, the inactivation of RBP-Jk in adenomas developed by APCmin mice resulted in the differentiation of tumour cells into goblet cells. Finally, Notch deficiency affected differentiated Paneth cells, suggesting that Notch may play a role in the Paneth cell compartment. In summary, this work clearly demonstrates that undifferentiated, proliferative cells in intestinal crypts require the concerted activation of the RBP-Jk-mediated Notch signalling and the Wnt cascade. In addition, our preliminary results can be considered as a "proof-of-principle" for the use of γ-secretase inhibitors for therapeutic modalities for colorectal cancer.

Canonical WNT signaling in hematopoiesis and leukemia

SummaryCanonical Wnt signaling is crucial for embryonic development and the homeostasis of certain adult tissues such as the gut and the skin. The role of canonical Wnt signaling in hematopoiesis is still debated. The expression of a dominant-active β-catenin in hematopoietic stem cells (HSCs) enhances the self-renewal capacity of HSCs but is detrimental for long-term hematopoiesis. In contrast, loss of function experiments show that absence of β- and γ-catenin does not impair steady-state hematopoiesis. It has been argued that the inducible deletion of β-catenin using the IFN-responsive Mx promoter may somehow influence stem cell fate. Herein we used the constitutive deletion of β-catenin specifically in hematopoietic cells to show that the absence of β- catenin, as well as γ-catenin deletion, does not impair normal hematopoiesis and self-renewal capacity of HSCs.Dysregulation of canonical Wnt signaling is causal for several types of cancer, including colon carcinoma or breast cancer. Recently, it was found that Wnt signal transduction was upregulated in certain leukemias. Based on these data, we have investigated whether β- and γ-catenin play a role for the induction of leukemias by oncogenic BCR-ABL translocation product. We show that the induction of B-ALL (B cell acute lymphocytic leukemia) is strongly reduced in the absence of γ-catenin, while the induction of CML (chronic myeloid leukemia) occurs at a normal rate. In the combined absence of β- and γ-catenin the induction of both CML and B-ALL is essentially blocked. Consistent with these data others have found that β-catenin is essential for the induction of CML by BCR-ABL.Collectively, we find that β- and γ-catenin are dispensable for normal hematopoiesis but essential for the development of BCR-ABL induced leukemias. These findings suggest that the canonical Wnt pathway may represent a promising target for the therapy of leukemia.RésuméLa voie de signalisation canonique Wnt est essentielle pour le développement embryonnaire ainsi que l'homéostasie de certains tissus adultes, comme les intestins et la peau. Le rôle de la voie canonique Wnt pour l'hématopoïèse est encore incertain. D'un coté l'expression d'une forme active de β-catenine dans les cellules souches de la moelle augmente leur potentiel d'auto- renouvellement mais est préjudiciable pour l'hématopoïèse à long terme. Par contre, l'absence de β- et γ-catenine n'empêche pas le déroulement normal de l'hématopoïèse. La façon dont est supprimée β-catenine, en utilisant le promoteur IFN-inductible Mx, pourrait influencer le sort des cellules souches. Ici nous détruisons β-catenine spécifiquement dans les cellules hématopoïétiques de manière constitutive et montrons que, en combinaison avec l'absence de γ-catenine, l'absence de β-catenine n'affecte pas le déroulement normal de l'hématopoïèse et la capacité des cellules souches de la moelle à se renouveler.Plusieurs sortes de cancers, comme celui du colon ou du sein, sont parfois dus à une dérégulation de la voie canonique Wnt. Récemment, certaines leucémies ont présenté une activation du signal Wnt. A partir de ces données, nous avons examiné si β- et γ-catenine jouent un rôle dans l'induction des leucémies causées par le produit de translocation BCR-ABL. Nous avons montré que l'induction de la leucémie aiguë lymphoïde de cellules Β (LAL-B) est grandement diminuée en l'absence de γ-catenin, alors que l'induction de la leucémie myéloïde chronique (LMC) n'est pas affectée. En l'absence des deux catenines, l'induction des deux leucémies LAL-B et LMC est presque complètement bloquée. En confirmation de nos données, un autre groupe a montré que β-catenine est essentielle pour le développement de la LMC. Ensemble, ces données nous montrent que β- et γ-catenine ne sont pas nécessaires pour l'hématopoïèse normale, mais essentielle pour le développement des leucémies induites par BCR-ABL. Cela suggère que la voie de signalisation canonique Wnt est une cible prometteuse pour de futures thérapies.

Role of CLOCK and circadian rhythms in calcium homeostasis

Le maintien d'une concentration sanguine constante de calcium est d'une importance cruciale et trois organes participent à la balance calcique normale : les reins, les intestins et les os. La concentration plasmatique de calcium est strictement régulée par l'hormone parathyroïdienne (PTH) et par la vitamine D. Des variations circadiennes de la PTH, de la vitamine D ainsi que du calcium plasmatique ont été décrites précédemment chez l'humain ainsi que chez le rat. Ces rythmes de PTH dans le sérum sont importants pour la régulation du remodelage de l'os. En effet, il a été montré chez les souris C57BL/6J que des injections de PTH une fois par jour mènent à une augmentation de la densité minérale de l'os alors que l'infusion en continu de PTH est associée à une diminution de cette densité. La vitamine D joue également un rôle fondamental dans la physiologie osseuse, car un déficit en vitamine D peut conduire à une ostéomalacie. Cependant la fonction des oscillations de vitamine D au niveau de l'homéostasie osseuse reste inconnue. L'horloge circadienne est un système interne de contrôle biologique du temps générant des rythmes de 24 heures dans l'expression des gènes, ainsi que dans la physiologie et le comportement. Ce contrôle s'opère par des boucles rétroactives positives et négatives de l'expression de gènes circadiens tels que CLOCK, BMAL1, CRY1 et 2 ou PERI et 2. Dans ce travail, nous avons émis l'hypothèse que l'homéostasie calcique est sous le contrôle de l'horloge circadienne. Dans un premier temps, nous avons montré chez les souris C57BL/6J des variations journalières des concentrations de calcium, de PTH et de vitamine D dans le sang, ainsi que de calcium dans les urines. Nous avons également démontré des changements au niveau de l'expression rénale des gènes importants dans l'homéostasie du calcium, tant au niveau de l'ARN messager que des protéines. Ensuite, pour analyser le rôle du système de l'horloge circadienne dans l'homéostasie du calcium, nous avons étudié des souris dans lesquelles a été supprimé le gène CLOCK crucial pour la fonction de l'horloge et nous avons comparé ces souris à des souris de type sauvage de même portée. Les souris CLOCK-I- étaient hypercalciuriques à chaque moment de la journée. Cependant le rythme circadien de l'excrétion de calcium était préservé. Le taux de calcium plasmatique ne différait pas entre les génotypes, mais les souris CLOCK -/- ne montraient pas de variations journalières de ce paramètre. Une perte du rythme journalier était également observée pour les niveaux de vitamine D, perte qui pourrait être une cause de l'altération de la micro-architecture osseuse révélée chez les souris CLOCK-/-. En effet, ces souris montrent une diminution du nombre de trabécules, de leur volume ainsi que de leur surface, ce qui suggère la présence d'ostéoporose. Nous avons également trouvé que le rythme de l'expression de l'ARN messager de CYP27B1 était aboli dans les reins des souris CLOCK -/-, ce qui peut expliquer l'altération du rythme de la vitamine D. Les taux sanguins de PTH étaient comparables entre les souris CLOCK -/- et de type sauvage. Dans les reins, une augmentation de l'expression de l'ARN messager de TRPV5 et NCX1 a été constatée, ce qui suggérerait une augmentation de la réabsorption de calcium dans le tubule convoluté distal et dans le tubule connecteur. Dans les intestins, la réabsorption calcique était diminuée, chez les souris CLOCK-I-, fait confirmé par une diminution des niveaux d'ARN messager de TRPV6 et PMCAL. En résumé, la suppression du gène CLOCK chez les souris a conduit à une hypercalciurie, une altération du rythme des taux plasmatiques de calcium et de vitamine D et à une détérioration de l'architecture osseuse. Pour conclure, ces résultats montrent que l'horloge circadienne est essentielle à l'homéostasie calcique ainsi qu'à la physiologie des os. - L'ostéoporose affecte environ 22 millions de femmes et 5.5 millions d'hommes en Europe, réduisant significativement leur qualité de vie et a causé 3.5 millions de nouvelles fractures en 2010. Les dépenses totales liées à ces fractures ont atteint 37 milliards d'euro et ce coût devrait augmenter de 25% d'ici à 2025. Le nombre de nouvelles fractures dues à l'ostéoporose à travers le monde est estimé à environ 1000 par heure. Parmi les causes de l'ostéoporose, le déficit én calcium et/ou en vitamine D joue un rôle important, mais il existe également des causes génétiques ou liées à des facteurs comme les hormones sexuelles (estrogènes, testostérone), l'âge, le tabac, le poids corporel, certains médicaments,... La vie est rythmique : ceci est dû à l'alternance naturelle du jour et de la nuit et de ses effets sur le corps. La prise alimentaire, par exemple, est un processus qui a lieu pendant la phase active, qui est prévisible (il se produit toujours au même moment) et qui peut être anticipé par le corps. Pour cela, une horloge interne est présente dans chaque cellule du corps et est synchronisée par la lumière du jour, entre autres stimuli. Cette horloge indique la phase du jour et régule l'expression de gènes impliqués dans les différents processus qui nécessitent une anticipation. Pendant mon travail de thèse, je me suis demandé si des îythmes circadiens (c'est-à-dire d'une durée d'environ 24 heures et indépendants des stimuli externes) étaient observables'pour les gènes régulant les flux de calcium dans le corps et si l'interruption de ces rythmes pouvait mener à des altérations de la qualité de l'os. J'ai d'abord travaillé avec des souris normales et j'ai pu montrer la présence de rythmes au niveau du calcium sanguin et urinaire, mais également au niveau des hormones et gènes qui contrôlent le métabolisme du calcium dans le corps, comme la vitamine D et l'hormone parathyroidienne. De manière intéressante, j'ai observé que la plupart de ces gènes ont un rythme synchronisé. J'ai ensuite utilisé un modèle de souris dans lequel l'horloge interne a été génétiquement invalidée et j'ai montré que ces souris présentent une augmentation de leur excrétion urinaire de calcium et un rythme circadien altéré de la vitamine D dans le sang. Ces souris absorbent aussi moins bien le calcium intestinal et présentent une ostéoporose marquée. Ce travail montre donc que l'horloge interne est nécessaire pour établir un rythme circadiens de certains facteurs influant les flux de calcium dans l'organisme, comme la vitamine D, et que la perturbation de ces rythmes mène à une dérégulation du métabolisme osseux. Ainsi, la perturbation de l'horloge interne peut causer une ostéoporose et une hypercalciurie qui pourraient aboutir à la formation de fractures et de calculs rénaux. L'extrapolation de ces observations chez l'homme ou à des changements plus subtiles des rythmes circadiens, comme le décalage horaire, restent à montrer. Cette recherche a démontré que les rythmes circadiens des mécanismes de régulation des flux de calcium dans l'organisme sont essentiels au maintien d'un squelette normal et suggère que les perturbations des rythmes circadiens pourraient être une nouvelle cause de l'ostéoporose. - Maintaining constant calcium concentration in the plasma is of a crucial importance and three organs participate in normal calcium balance - kidney, gut and bone. Plasma calcium concentration is strictly regulated by parathyroid hormone (PTH) and vitamin D. Circadian variations of PTH, vitamin D and plasma calcium were previously described in humans, as well as in rats. Rhythms in serum PTH are important for balanced bone remodelling. Indeed in C57BL/6J mice, PTH injection once per day leads to an increase in bone mineral density (BMD), whilst continuous infusion is associated with decreased BMD. Vitamin D also plays a crucial role in bone physiology, since the deficiency in vitamin D can lead to rickets/osteomalacia. However, the role of vitamin D rhythms in bone homeostasis remains unknown. The circadian clock is an. internal time-keeping system generating rhythms in gene expression with 24h periodicity, in physiology and in behaviour. It is operated by positive- and negative-feedback loops of circadian genes, such as CLOCK, BMAL1, CRY1 and 2 or PERI and 2. In this work, we hypothesized, that calcium homeostasis is under the control of the circadian clock. First, we showed daily variations in urinary calcium and serum calcium, PTH and l,25(OH)2 vitamin D, together with renal mRNA and protein levels of genes involved in calcium homeostasis in C57BL/6J mice. Second, and to investigate the role of the circadian clock system in calcium handling, we studied mice lacking the gene CLOCK crucial for fonction of the clock system and compared them to the WT littermates. CLOCK-/- mice were hypercalciuric at all timepoints of the day. However, the circadian rhythm of calcium excretion was preserved. Serum calcium levels did not differ between the genotypes, but CLOCK-/- mice did not exhibit daily variation for this parameter. Loss of rhythm was observed also for serum l,25(OH)2 vitamin D levels, which may be one of the causes of altered bone microarchitecture that was revealed in CLOCK-/- mice. They displayed increased trabecular separation and decreased trabecular number, trabecular bone volume and trabecular bone surface, suggestive of osteoporosis. We found that the rhythm of the mRNA expression of CYP27B1 was abolished in the kidney of CLOCK-/- mice, which could induce the altered rhythm of l,25(OH)2 vitamin. Serum PTH levels were comparable between CLOCK-/- and WT mice. In the kidney, increased mRNA expression of TRPV5 and NCX1 suggests increased calcium reabsorption in the distal convoluted and connecting tubule. In the gut, intestinal calcium absorption was decreased in CLOCK¬/- mice, confirmed by decreased mRNA levels of TRPV6 and PMCA1. In summary, deletion of the CLOCK gene in mice conducts to hypercalciuria, alteration of the rhythm in serum calcium and l,25(OH)2D levels, and impainnent of their bone microarchitecture. In conclusion, these data show that the circadian clock system is essential in calcium homeostasis and bone physiology.

Métabolisme d'antidépresseurs dans différentes espèces : aspects méthodologiques et pharmacogénétiques, perspectives cliniques

Résumé pour large public Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne Lors de la prise d'un médicament, celui-ci va passer par différentes étapes que sont l'absorption, la distribution, le métabolisme et enfin l'élimination. Ces quatre étapes sont regroupées sous le nom de pharmacocinétique. A noter que ces quatre paramètres sont dynamiques et en constante évolution. Durant cette thèse, nous avons investigué différents aspects de la pharmacocinétique, tout d'abord par une revue de la littérature sur la glycoprotéine-P (Pgp). Récemment découverte, cette protéine de membrane est située aux endroits stratégiques de l'organisme comme la barrière hématoencéphalée, le placenta ou les intestins où elle influencera l'entrée de différentes substances, en particulier les médicaments. La Pgp serait impliquée dans les phénomènes de résistances aux agents thérapeutiques en oncologie. La Pgp influence donc l'absorption des médicaments, et son impact en clinique, en termes d'efficacité de traitement et de toxicité prend chaque jour plus d'importance. Ensuite nous avons mis au point une méthode d'analyse quantitative d'un antidépresseur d'une nouvelle génération : la mirtazapine (Remeron®). La nouveauté réside dans la façon dont la mirtazapine interagit avec les neurotransmetteurs impliqués dans la dépression que sont la sérotonine et la noradrénaline. Cette méthode utilise la chromatographie liquide pour séparer la mirtazapine de ses principaux métabolites dans le sang. La spectrométrie de masse est utilisée pour les détecter et les quantifier. Les métabolites sont des substances issues de réactions chimiques entre la substance mère, la mirtazapine, et généralement des enzymes hépatiques, dans le but de rendre cette substance plus soluble en vue de son élimination. Cette méthode permet de quantifier la mirtazapine et ses métabolites dans le sang de patients traités et de déterminer la variation des taux plasmatiques chez ces patients. Puis nous avons étudié le métabolisme d'un autre antidépresseur, le citalopram, qui a un métabolisme complexe. Le citalopram est un racémate, c'est-à-dire qu'il existe sous forme de deux entités chimiques (R-(-) et S-(+) citalopram) qui ont le même nombre d'éléments mais arrangés différemment dans l'espace. La voie métabolique cérébrale du citalopram est sous le contrôle d'une enzyme, la monoamine oxydase (MAO), conduisant à une forme acide du citalopram (l'acide propionique du citalopram). La MAO existe sous deux formes : MAO-A et MAO-B. Nous avons utilisé des souris déficientes d'un gène, celui de la MAO-A, pour mieux en comprendre le métabolisme en les comparants à des souris sauvages (sans déficience de ce gène). Nous avons utilisé le citalopram et deux de ses métabolites (le déméthylcitaloprarn et le didéméthyícitalopram) comme substrats pour tester la formation in vitro de l'acide propionique du citalopram. Nos résultats montrent que la MAO-A favorise la formation de l'entité R-(-) et présente une plus grande affinité pour le citalopram, tandis que la MAO-B métabolise préférentiellement l'entité S-(+) et a une plus grande affinité pour les deux métabolites déméthylés. De plus, la déficience en MAO-A est partiellement compensée parla MAO-B chez les souris déficientes du gène de la MAO-A. Enfin, nous avons étudié une deuxième voie métabolique du citalopram qui s'est avérée toxique chez le chien Beagle. Celle-ci est catalysée par une autre famille d'enzymes, les cytochromes P-450, et mène aux métabolites déméthylés et didéméthylés du citalopram. Nous avons utilisé des tissus hépatiques de chiens Beagle. Plusieurs cytochromes P-450 sont impliqués dans le métabolisme du citalopram menant à sa forme déméthylée, ceci tant chez l'homme que chez le chien. Par contre, dans le métabolisme de la forme déméthylée menant à 1a forme didéméthylée, un seul cytochrome P-450 serait impliqué chez l'Homme, tandis qu'ils seraient plusieurs chez le chien. L'activité enzymatique produisant la forme didéméthylée est beaucoup plus importante chez le chien comparé à l'homme. Cette observation soutien l'hypothèse que des taux élevés de la forme didéméthylée participent à la toxicité spécifique du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant que les enzymes peuvent être stimulées ou inhibées, il importe de pouvoir suivre au plus prés les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Résumé Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne La plupart des médicaments subissent une transformation enzymatique dans l'organisme. Les substances issues de cette métabolisation ne sont pas toujours dotées d'une activité pharmacologique. Il s'est avéré par conséquent indispensable de suivre les taux plasmatiques d'une substance et de ses métabolites et d'établir ou non l'existence d'une relation avec l'effet clinique observé. Ce concept nommé « therapeutic drag monitoring » (TDM) est particulièrement utile en psychiatrie ou un manque de compliance des patients est fréquemment observé. Les médicaments psychotropes ont un métabolisme principalement hépatique (cytochromes P-450) et parfois cérébral (monoamines oxydases), comme pour le citalopram par exemple. Une méthode stéréosélective de chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse a été développée pour analyser les énantiomères R-(-) et S-(+) d'un antidépresseur agissant sur les récepteurs noradrénergiques et sérotoninergiques, la mirtazapine et de ses métabolites déméthylmirtazapine et 8-hydroxymirtazapine. Les données préliminaires obtenues dans les plasmas dosés suggèrent que les concentrations de R-(-)-mirtazapine sont plus élevées que celles de S-(+)-mirtazapine, à l'exception des patients qui auraient comme co-médication des inhibiteurs du CYP2D6, telle que la fluoxétine ou la thioridazine. Il y a une enantiosélectivité du métabolisme de la mirtazapine. En particulier pour la 8-hydroxymirtazapine qui est glucuroconjuguée et pour laquelle le ratio S/R varie considérablement. Cette méthode analytique présente l'avantage d'être utilisable pour le dosage stéréosélectif de la mirtazapine et de ses métabolites dans le plasma de patients ayant d'autres substances en co-médication. La glycoprotéine P fonctionne comme une pompe transmembranaire transportant les xénobiotiques depuis le milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Son induction et son inhibition, bien que moins étudiées que pour les cytochromes P-450, ont des implications cliniques importantes en termes d'efficacité de traitement et de toxicité. Cette glycoprotéine P a fait l'objet d'une recherche bibliographique. Nous avons étudié le métabolisme du citalopram, un antidépresseur de la classe des inhibiteurs spécifiques de la recapture de la sérotonine chez la souris et chez le chien. Cette substance subit un métabolisme complexe. La voie de métabolisation conduisant à la formation de l'acide propionique du citalopram, catalysée par les monoamines oxydases, a été étudiée in vitro dans les mitochondries cérébrales chez la souris déficiente du gène de la MAO-A (Tg8). La monoamine oxydase A catalyse la formation de l'énantiomère R-(-) et présente une plus grande affinité pour les amines tertiaires, tandis que la monoamine oxydase B favorise la formation de la forme S-(+) et a une affinité plus marquée pour les amines secondaires et primaires. L'étude du citalopram chez la souris Tg8 adulte a montré que la monoamine oxydase B compense la déficience de la monoamine oxydase A chez ces souris génétiquement modifiées. Une autre voie de métabolisation du citalopram conduisant à la formation de didéméthylcitalopram, catalysée par les cytochromes P-450, a été étudiée in vitro dans des microsomes hépatiques de chiens Beagle. Nos études ont montré que les cinétiques de N-déméthylation du citalopram sont biphasiques chez le chien. Les orthologues canins impliqués dans la première N-déméthylation semblent être identiques aux cytochromes P-450 humains. Par contre, dans la deuxième Ndéméthylation, un seul cytochrome P-450 semble être impliqué chez l'homme (CYP2D6), tandis qu'on retrouve jusqu'à cinq orthologues chez le chien. Le CYP2D15, orthologue canin du CYP2D6, est majoritairement impliqué. De plus, l'activité enzymatique, reflétée par les clairances intrinsèques, dans la première N-déméthylation est jusqu'à 45 fois plus élevée chez le chien comparé à l'homme. Ces différentes observations soutiennent l'hypothèse que des taux élevés de didéméthylcitalopram sont responsables de la toxicité du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant -que les enzymes peuvent être induits ou inhibés, il importe de pouvoir suivre au plus près les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Summary Most of the drugs are metabolized in the organism. Substances issued from this metabolic activity do not always show a pharmacological activity. Therefore, it is necessary to monitor plasmatic levels of drugs and their metabolites, and establish the relationship with the clinical effect. This concept named therapeutic drug monitoring is very useful in psychiatry where lack of compliance is commonly observed. Antidepressants are mainly metabolized in the liver (cytochrome P-450) and sometimes in the brain (monoamine oxidase) like the citalopram, for exemple. A LC-MS method was developed, which allows the simultaneous analysis of R-(-) and S-(+) enantiomers of mirtazapine, an antidepressant acting specifically on noradrenergic and serotonergic receptors, and its metabolites demethylmirtazapine and 8-hydroxymirtazapine in plasma of mirtazapine treated patients. Preliminary data obtained suggested that R-(-) mirtazapine concentrations were higher than those of S-(+) mirtazapine, except in patients comedicated with CYP2D6 inhibitors such as fluoxetine or thioridazine. There is an enantioselectivity in the metabolism of mirtazapine. In particular for the 8-hydroxymirtazapine, which is glucuroconjugated and S/R ratio varies considerably. Therefore this method seems to be suitable for the stereoselective assay of mirtazapine and its metabolites in plasma of patients comedicated with mirtazapine and other drugs for routine and research purposes. P-glycoprotein is working as an efflux transporter of xenobiotics from intracellular to extracellular environment. Its induction or inhibition, although less studied than cytochrome P-450, has huge clinical implications in terms of treatment efficacy and toxicity. An extensive literature search on P-glycoprotein was performed as part of this thesis. The study of citalopram metabolism, an antidepressant belonging to the class of selective serotonin reuptake inhibitors. This substance undergoes a complex metabolism. First metabolization route leading to citalopram propionic acid, catalyzed by monoamine oxidase was studied in vitro in mice brain mitochondria. Monoamine oxidase A catalyzed the formation of R-(-) enantiomer and showed greater affinity for tertiary amines, whereas monoamine oxidase B triggered the formation of S-(+) enantiomer and demonstrated higher affinity for primary and secondary amines. citalopram evaluation in adult Tg8 mice showed that monoamine oxidase B compensated monoamine oxidase A deficiency in those genetically transformed mice. The second metabolization route of citalopram leading to didemethylcitalopram and catalyzed by cytochrome P-450 was studied in vitro in Beagle dog's livers. Our results showed that citalopram N-demethylation kinetics are biphasic in dogs. Canine orthologs involved in the first N-demethylation seemed to be identical to human cytochromes P-450. However, in the second N-demethylation only one cytochrome P-450 seemed to be involved in human (CYP2D6), whereas up to five canine orthologs were found in dogs. CYP2D15 canine ortholog of CYP2D6 was mainly involved. In addition, enzymatic activity reflected by intrinsic clearance in the first N-demethylation was up to 45 fold higher in dogs compared to humans. Those observations support the assumption that elevated rates of didemethylcitalopram are responsible for citalopram toxicity in dogs. We can conclude that several enzymes groups are involved in the brain, as well as in the liver, in antidepressant metabolization. Knowing that enzymes may be induced or inhibited, it makes sense to closely monitor plasmatic levels of antidepressants and their metabolites.