Multi-scale systems analysis of plant development : beyond cellular signaling and tissue morphodynamics

Les plantes sont essentielles pour les sociétés humaines. Notre alimentation quotidienne, les matériaux de constructions et les sources énergétiques dérivent de la biomasse végétale. En revanche, la compréhension des multiples aspects développementaux des plantes est encore peu exploitée et représente un sujet de recherche majeur pour la science. L'émergence des technologies à haut débit pour le séquençage de génome à grande échelle ou l'imagerie de haute résolution permet à présent de produire des quantités énormes d'information. L'analyse informatique est une façon d'intégrer ces données et de réduire la complexité apparente vers une échelle d'abstraction appropriée, dont la finalité est de fournir des perspectives de recherches ciblées. Ceci représente la raison première de cette thèse. En d'autres termes, nous appliquons des méthodes descriptives et prédictives combinées à des simulations numériques afin d'apporter des solutions originales à des problèmes relatifs à la morphogénèse à l'échelle de la cellule et de l'organe. Nous nous sommes fixés parmi les objectifs principaux de cette thèse d'élucider de quelle manière l'interaction croisée des phytohormones auxine et brassinosteroïdes (BRs) détermine la croissance de la cellule dans la racine du méristème apical d'Arabidopsis thaliana, l'organisme modèle de référence pour les études moléculaires en plantes. Pour reconstruire le réseau de signalement cellulaire, nous avons extrait de la littérature les informations pertinentes concernant les relations entre les protéines impliquées dans la transduction des signaux hormonaux. Le réseau a ensuite été modélisé en utilisant un formalisme logique et qualitatif pour pallier l'absence de données quantitatives. Tout d'abord, Les résultats ont permis de confirmer que l'auxine et les BRs agissent en synergie pour contrôler la croissance de la cellule, puis, d'expliquer des observations phénotypiques paradoxales et au final, de mettre à jour une interaction clef entre deux protéines dans la maintenance du méristème de la racine. Une étude ultérieure chez la plante modèle Brachypodium dystachion (Brachypo- dium) a révélé l'ajustement du réseau d'interaction croisée entre auxine et éthylène par rapport à Arabidopsis. Chez ce dernier, interférer avec la biosynthèse de l'auxine mène à la formation d'une racine courte. Néanmoins, nous avons isolé chez Brachypodium un mutant hypomorphique dans la biosynthèse de l'auxine qui affiche une racine plus longue. Nous avons alors conduit une analyse morphométrique qui a confirmé que des cellules plus anisotropique (plus fines et longues) sont à l'origine de ce phénotype racinaire. Des analyses plus approfondies ont démontré que la différence phénotypique entre Brachypodium et Arabidopsis s'explique par une inversion de la fonction régulatrice dans la relation entre le réseau de signalisation par l'éthylène et la biosynthèse de l'auxine. L'analyse morphométrique utilisée dans l'étude précédente exploite le pipeline de traitement d'image de notre méthode d'histologie quantitative. Pendant la croissance secondaire, la symétrie bilatérale de l'hypocotyle est remplacée par une symétrie radiale et une organisation concentrique des tissus constitutifs. Ces tissus sont initialement composés d'une douzaine de cellules mais peuvent aisément atteindre des dizaines de milliers dans les derniers stades du développement. Cette échelle dépasse largement le seuil d'investigation par les moyens dits 'traditionnels' comme l'imagerie directe de tissus en profondeur. L'étude de ce système pendant cette phase de développement ne peut se faire qu'en réalisant des coupes fines de l'organe, ce qui empêche une compréhension des phénomènes cellulaires dynamiques sous-jacents. Nous y avons remédié en proposant une stratégie originale nommée, histologie quantitative. De fait, nous avons extrait l'information contenue dans des images de très haute résolution de sections transverses d'hypocotyles en utilisant un pipeline d'analyse et de segmentation d'image à grande échelle. Nous l'avons ensuite combiné avec un algorithme de reconnaissance automatique des cellules. Cet outil nous a permis de réaliser une description quantitative de la progression de la croissance secondaire révélant des schémas développementales non-apparents avec une inspection visuelle classique. La formation de pôle de phloèmes en structure répétée et espacée entre eux d'une longueur constante illustre les bénéfices de notre approche. Par ailleurs, l'exploitation approfondie de ces résultats a montré un changement de croissance anisotropique des cellules du cambium et du phloème qui semble en phase avec l'expansion du xylème. Combinant des outils génétiques et de la modélisation biomécanique, nous avons démontré que seule la croissance plus rapide des tissus internes peut produire une réorientation de l'axe de croissance anisotropique des tissus périphériques. Cette prédiction a été confirmée par le calcul du ratio des taux de croissance du xylème et du phloème au cours de développement secondaire ; des ratios élevés sont effectivement observés et concomitant à l'établissement progressif et tangentiel du cambium. Ces résultats suggèrent un mécanisme d'auto-organisation établi par un gradient de division méristématique qui génèrent une distribution de contraintes mécaniques. Ceci réoriente la croissance anisotropique des tissus périphériques pour supporter la croissance secondaire. - Plants are essential for human society, because our daily food, construction materials and sustainable energy are derived from plant biomass. Yet, despite this importance, the multiple developmental aspects of plants are still poorly understood and represent a major challenge for science. With the emergence of high throughput devices for genome sequencing and high-resolution imaging, data has never been so easy to collect, generating huge amounts of information. Computational analysis is one way to integrate those data and to decrease the apparent complexity towards an appropriate scale of abstraction with the aim to eventually provide new answers and direct further research perspectives. This is the motivation behind this thesis work, i.e. the application of descriptive and predictive analytics combined with computational modeling to answer problems that revolve around morphogenesis at the subcellular and organ scale. One of the goals of this thesis is to elucidate how the auxin-brassinosteroid phytohormone interaction determines the cell growth in the root apical meristem of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), the plant model of reference for molecular studies. The pertinent information about signaling protein relationships was obtained through the literature to reconstruct the entire hormonal crosstalk. Due to a lack of quantitative information, we employed a qualitative modeling formalism. This work permitted to confirm the synergistic effect of the hormonal crosstalk on cell elongation, to explain some of our paradoxical mutant phenotypes and to predict a novel interaction between the BREVIS RADIX (BRX) protein and the transcription factor MONOPTEROS (MP),which turned out to be critical for the maintenance of the root meristem. On the same subcellular scale, another study in the monocot model Brachypodium dystachion (Brachypodium) revealed an alternative wiring of auxin-ethylene crosstalk as compared to Arabidopsis. In the latter, increasing interference with auxin biosynthesis results in progressively shorter roots. By contrast, a hypomorphic Brachypodium mutant isolated in this study in an enzyme of the auxin biosynthesis pathway displayed a dramatically longer seminal root. Our morphometric analysis confirmed that more anisotropic cells (thinner and longer) are principally responsible for the mutant root phenotype. Further characterization pointed towards an inverted regulatory logic in the relation between ethylene signaling and auxin biosynthesis in Brachypodium as compared to Arabidopsis, which explains the phenotypic discrepancy. Finally, the morphometric analysis of hypocotyl secondary growth that we applied in this study was performed with the image-processing pipeline of our quantitative histology method. During its secondary growth, the hypocotyl reorganizes its primary bilateral symmetry to a radial symmetry of highly specialized tissues comprising several thousand cells, starting with a few dozens. However, such a scale only permits observations in thin cross-sections, severely hampering a comprehensive analysis of the morphodynamics involved. Our quantitative histology strategy overcomes this limitation. We acquired hypocotyl cross-sections from tiled high-resolution images and extracted their information content using custom high-throughput image processing and segmentation. Coupled with an automated cell type recognition algorithm, it allows precise quantitative characterization of vascular development and reveals developmental patterns that were not evident from visual inspection, for example the steady interspace distance of the phloem poles. Further analyses indicated a change in growth anisotropy of cambial and phloem cells, which appeared in phase with the expansion of xylem. Combining genetic tools and computational modeling, we showed that the reorientation of growth anisotropy axis of peripheral tissue layers only occurs when the growth rate of central tissue is higher than the peripheral one. This was confirmed by the calculation of the ratio of the growth rate xylem to phloem throughout secondary growth. High ratios are indeed observed and concomitant with the homogenization of cambium anisotropy. These results suggest a self-organization mechanism, promoted by a gradient of division in the cambium that generates a pattern of mechanical constraints. This, in turn, reorients the growth anisotropy of peripheral tissues to sustain the secondary growth.

Constitutive activation of Wnt signaling favors generation of memory CD8 T cells.

T cell factor-1 (TCF-1) and lymphoid enhancer-binding factor 1, the effector transcription factors of the canonical Wnt pathway, are known to be critical for normal thymocyte development. However, it is largely unknown if it has a role in regulating mature T cell activation and T cell-mediated immune responses. In this study, we demonstrate that, like IL-7Ralpha and CD62L, TCF-1 and lymphoid enhancer-binding factor 1 exhibit dynamic expression changes during T cell responses, being highly expressed in naive T cells, downregulated in effector T cells, and upregulated again in memory T cells. Enforced expression of a p45 TCF-1 isoform limited the expansion of Ag-specific CD8 T cells in response to Listeria monocytogenes infection. However, when the p45 transgene was coupled with ectopic expression of stabilized beta-catenin, more Ag-specific memory CD8 T cells were generated, with enhanced ability to produce IL-2. Moreover, these memory CD8 T cells expanded to a larger number of secondary effectors and cleared bacteria faster when the immunized mice were rechallenged with virulent L. monocytogenes. Furthermore, in response to vaccinia virus or lymphocytic choriomeningitis virus infection, more Ag-specific memory CD8 T cells were generated in the presence of p45 and stabilized beta-catenin transgenes. Although activated Wnt signaling also resulted in larger numbers of Ag-specific memory CD4 T cells, their functional attributes and expansion after the secondary infection were not improved. Thus, constitutive activation of the canonical Wnt pathway favors memory CD8 T cell formation during initial immunization, resulting in enhanced immunity upon second encounter with the same pathogen.

Nuclear factor I-C links platelet-derived growth factor and transforming growth factor beta1 signaling to skin wound healing progression.

Transforming growth factor beta (TGF-beta) and platelet-derived growth factor A (PDGFAlpha) play a central role in tissue morphogenesis and repair, but their interplay remain poorly understood. The nuclear factor I C (NFI-C) transcription factor has been implicated in TGF-beta signaling, extracellular matrix deposition, and skin appendage pathologies, but a potential role in skin morphogenesis or healing had not been assessed. To evaluate this possibility, we performed a global gene expression analysis in NFI-C(-/-) and wild-type embryonic primary murine fibroblasts. This indicated that NFI-C acts mostly to repress gene expression in response to TGF-beta1. Misregulated genes were prominently overrepresented by regulators of connective tissue inflammation and repair. In vivo skin healing revealed a faster inflammatory stage and wound closure in NFI-C(-/-) mice. Expression of PDGFA and PDGF-receptor alpha were increased in wounds of NFI-C(-/-) mice, explaining the early recruitment of macrophages and fibroblasts. Differentiation of fibroblasts to contractile myofibroblasts was also elevated, providing a rationale for faster wound closure. Taken together with the role of TGF-beta in myofibroblast differentiation, our results imply a central role of NFI-C in the interplay of the two signaling pathways and in regulation of the progression of tissue regeneration.

The protein phosphatase 7 regulates phytochrome signaling in Arabidopsis.

The psi2 mutant of Arabidopsis displays amplification of the responses controlled by the red/far red light photoreceptors phytochrome A (phyA) and phytochrome B (phyB) but no apparent defect in blue light perception. We found that loss-of-function alleles of the protein phosphatase 7 (AtPP7) are responsible for the light hypersensitivity in psi2 demonstrating that AtPP7 controls the levels of phytochrome signaling. Plants expressing reduced levels of AtPP7 mRNA display reduced blue-light induced cryptochrome signaling but no noticeable deficiency in phytochrome signaling. Our genetic analysis suggests that phytochrome signaling is enhanced in the AtPP7 loss of function alleles, including in blue light, which masks the reduced cryptochrome signaling. AtPP7 has been found to interact both in yeast and in planta assays with nucleotide-diphosphate kinase 2 (NDPK2), a positive regulator of phytochrome signals. Analysis of ndpk2-psi2 double mutants suggests that NDPK2 plays a critical role in the AtPP7 regulation of the phytochrome pathway and identifies NDPK2 as an upstream element involved in the modulation of the salicylic acid (SA)-dependent defense pathway by light. Thus, cryptochrome- and phytochrome-specific light signals synchronously control their relative contribution to the regulation of plant development. Interestingly, PP7 and NDPK are also components of animal light signaling systems.

Profiling of T-cell receptor signaling complex assembly in human CD4 T-lymphocytes using RP protein arrays.

The RP protein (RPP) array approach immobilizes minute amounts of cell lysates or tissue protein extracts as distinct microspots on NC-coated slide. Subsequent detection with specific antibodies allows multiplexed quantification of proteins and their modifications at a scale that is beyond what traditional techniques can achieve. Cellular functions are the result of the coordinated action of signaling proteins assembled in macromolecular complexes. These signaling complexes are highly dynamic structures that change their composition with time and space to adapt to cell environment. Their comprehensive analysis requires until now relatively large amounts of cells (>5 x 10(7)) due to their low abundance and breakdown during isolation procedure. In this study, we combined small scale affinity capture of the T-cell receptor (TCR) and RPP arrays to follow TCR signaling complex assembly in human ex vivo isolated CD4 T-cells. Using this strategy, we report specific recruitment of signaling components to the TCR complex upon T-cell activation in as few as 0.5 million of cells. Second- to fourth-order TCR interacting proteins were accurately quantified, making this strategy specially well-suited to the analysis of membrane-associated signaling complexes in limited amounts of cells or tissues, e.g., ex vivo isolated cells or clinical specimens.

Notch signaling in T- and B-cell development.

The Notch family of evolutionarily conserved proteins regulates a broad spectrum of cell-fate decisions and differentiation processes during fetal and post-natal development. The best characterized role of Notch signaling during mammalian hematopoiesis and lymphopoiesis is the essential function of the Notch1 receptor in T-cell lineage commitment. More recent studies have addressed the roles of other Notch receptors and ligands, as well as their downstream targets, revealing additional novel functions of Notch signaling in intra-thymic T-cell development, B-cell development and peripheral T-cell function.

Role of intracellular signaling pathways activated in fibroblasts in response to lipoproteins

Summary The best described physiological function of low-density lipoproteins (LDL) is to transport cholesterol to target tissues. LDL deliver their cholesterol cargo to cells following their interaction with the LDL receptor. LDL, when their vascular concentrations increase, have also been implicated in pathologies such as atherosclerosis. Among the cell types that are found in blood vessels, endothelial and smooth muscle cells have dominated cellular research on atherosclerotic mechanisms and LDL activation of signaling pathways, while very little is known about adventitial fibroblast activation caused by elevated lipoprotein levels. Since fibroblasts participate in wound repair and since it has recently been recognized that fibroblasts may play pivotal roles in vascular remodeling and repair of injury, we assessed whether lipoproteins affect fibroblast function. We have found that LDL specifically mediate the activation of a class of mitogen-activated protein kinases (MAPKs): the p38 MAPKs. The activation of this pathway in turn modulates cell shape by promoting lamellipodia formation and extensive cell spreading. This is of particular interest because it provides a mechanism by which LDL can promote wound healing or vessel wall remodeling as observed during the development of atherosclerosis. In order to understand the molecular mechanisms by which LDL induce p38 activation we searched for the component in the LDL particle responsible for the induction of this pathway. We found that cholesterol is the major component of lipoprotein particles that mediates their ability to stimulate the p38 MAPK pathway. Furthermore, we investigated the cellular mechanisms underlying the ability of LDL to induce cell shape changes and whether this could participate in wound repair. Our recent data demonstrates that the capacity of LDL to induce fibroblast spreading relies on their ability to stimulate IL-8 secretion, which in turn leads to accelerated wound healing. LDL-induced IL-8 production and subsequent wound closure are impaired upon inhibition of the p38 MAPK pathway indicating that the LDL-induced spreading and accelerated wound sealing rely on the ability of LDL to stimulate IL-8 secretion in a p38 MAPK-dependent manner. Therefore, regulation of fibroblast shape and migration by lipoproteins may be relevant to atherosclerosis that is characterized by increased LDL-cholesterol levels, IL-8 production and extensive remodeling of the vessel wall. Résumé: La fonction physiologique des lipoprotéines à faible densité (LDL) la mieux décrite est celle du transport du cholestérol aux tissus cibles. Les LDL livrent leur cargaison de cholestérol aux cellules après leur interaction avec le récepteur au LDL. Une concentration vasculaire des LDL augmenté est également impliquée dans le développement de l'athérosclérose. Parmi les types de cellule présents dans les vaisseaux sanguins, les cellules endothéliales et les cellules du muscle lisse ont dominé la recherche cellulaire sur les mécanismes athérosclérotiques et sur l'activation par les LDL des voies de signalisation intracellulaire. A l'inverse peu de choses sont connues sur l'activation des fibroblastes de l'adventice par les lipoprotéines. Puisqu'il a été récemment reconnu que les fibroblastes peuvent jouer un rôle central dans la remodélisation vasculaire et la réparation tissulaire, nous avons étudié si les lipoprotéines affectent la fonction des fibroblastes. Nous avons constaté que les LDL activent spécifiquement une classe de protéines kinases: les p38 MAPK (mitogen-activated protein kinases). L'activation de cette voie module à son tour la forme de la cellule en favorisant la formation de lamellipodes et l'agrandissement des cellules. Cela a un intérêt particulier car il fournit un mécanisme par lequel les LDL peuvent promouvoir la cicatrisation ou la remodélisation des parois vasculaires comme observés lors du développement de l'athérosclérose. Pour comprendre les mécanismes moléculaires par lesquels les LDL provoquent l'activation des p38 MAPK, nous avons cherché à identifier les composants dans la particule de LDL responsables de l'induction de cette voie. Nous avons constaté que le cholestérol est l'élément principal des particules de lipoprotéine qui contrôle leur capacité à stimuler la voie des p38 MAPK. En outre, nous avons examiné les mécanismes cellulaires responsables de la capacité des LDL à induire des changements dans la forme des cellules. Nos données récentes démontrent que la capacité des LDL à induire l'agrandissement des cellules, ainsi que leur aptitude à favoriser la cicatrisation, reposant sur leur capacité à stimuler la sécrétiond'IL-8. La production d'IL-8 induite par les LDL est bloquée par l'inhibition de la voie p38 MAPK, ce qui indique que l'étalement des cellules induit par les LDL ainsi que l'accélération de la cicatrisation sont liés à la capacité des LDL à stimuler la sécrétion d'IL8 via l'activation des p38 MAPK. La régulation de la forme et de la migration des fibroblastes par les lipoprotéines peuvent donc participer au développement de l'athérosclérose qui est caractérisée par l'augmentation des niveaux de production de LDL-cholestérol et d'IL-8 ainsi que par une remodélisation augmentée de la paroi du vaisseau.

AFT3 as a new therapeutic target for skin field cancerization in antagonism with compromised Notch/CSL signaling

Les interactions épithélio-mésenchymateuses jouent un rôle important dans le contrôle du développement normal de la peau, son homéostasie et sa tumorigenèse. Les fibroblastes dermiques (DFs) représentent la catégorie cellulaire la plus abondante dans le stroma et leur rôle est de plus en plus considéré. En ce qui concerne particulièrement la tumorigenèse, des facteurs diffusibles produits par les fibroblastes entourant les tumeurs épithéliales, appelés 'fibroblastes associés au cancer (CAF)', interagissent au niveau de l'inflammation impliquée directement ou indirectement dans la signalisation paracrine, entre le stroma et les cellules épiéliales cancéreuses. Le risque de cancer de la peau augmente de façon exponentielle avec l'âge. Comme un lien probable entre les deux, la sénescence des fibroblastes résulte de la production du sécrétome favorisant la sénescence (SMS), un groupe de facteurs diffusibles induisant une stimulation paracrine de la croissance, l'inflammation et le remodelage de la matrice. De façon fort intéressante, l'induction de ces gènes est aussi une caractéristique des CAFs. Cependant, le lien entre les deux événements cellulaires sénescence et activation des CAFs reste en grande partie inexploré. L'ATF3 (Activating Transcription Factor 3) est un facteur de transcription induit en réponse au stress, dont les fonctions sont hautement spécifiques du type cellulaire. Bien qu'il ait été découvert dans notre laboratoire en tant que promoteur de tumeurs dans les kératinocytes, ses fonctions biologique et biochimique dans le derme n'ont pas encore été étudiées. Récemment, nous avons constaté que, chez la souris, l'abrogation de la voie de signalisation de Notch/CSL dans les DFs, induisait la formation de tumeurs kératinocytaires multifocales. Ces dernières proviennent de la cancérisation en domaine, un phénomène associé à une atrophie du stroma, des altérations de la matrice et de l'inflammation. D'autres études ont montré que CSL agissait comme un régulateur négatif de gènes impliqués dans sénescence des DFs et dans l'activation des CAFs. Ici, nous montrons que la suppression ou l'atténuation de l'expression de ATF3 dans les DFs induit la sénescence et l'expression des gènes liés aux CAFs, de façon similaire à celle déclenchée par la perte de CSL, tandis que la surexpression de ATF3 supprime ces changements. Nous émettons l'hypothèse que ATF3 joue un rôle suppresseur dans l'activation des CAFs et dans la progression des tumeurs kératinocytaires, en surmontant les conséquences de l'abrogation de la voie de signalisation Notch/CSL. En concordance avec cette hypothèse, nous avons constaté que la perte de ATF3 dans les DFs favorisait la tumorigénicité des kératinocytes via le contrôle négatif de cytokines, des enzymes de la matrice de remodelage et de protéines associées au cancer, peut-être par liaison directe des effecteurs de la voie Notch/CSL : IL6 et les gènes Hes. Enfin, dans les échantillons cliniques humains, le stroma sous-jacent aux lésions précancéreuses de kératoses actiniques montre une diminution significative de l'expression de ATF3 par rapport au stroma jouxtant la peau normale. La restauration de l'expression de ATF3 pourrait être utilisée comme un outil thérapeutique en recherche translationnelle pour prévenir ou réprimer le processus de cancérisation en domaine. - Epithelial-mesenchymal interactions play an important role in control of normal skin development, homeostasis and tumorigenesis. The role of dermal fibroblasts (DFs) as the most abundant cell type in stroma is increasingly appreciated. Especially during tumorigenesis, fibroblasts surrounding epithelial tumors, called Cancer Associated Fibroblasts (CAFs), produce diffusible factors (growth factors, inflammatory cytokines, chemokines and enzymes, and matrix metalloproteinases) that mediate inflammation either directly or indirectly through paracrine signaling between stroma and epithelial cancer cells. The risk of skin cancer increases exponentially with age. As a likely link between the two, senescence of fibroblasts results in production of the senescence-messaging-secretome (SMS), a panel of diffusible factors inducing paracrine growth stimulation, inflammation, and matrix remodeling. Interestingly, induction of these genes is also a characteristic of Cancer Associated Fibroblasts (CAFs). However, the link between the two cellular events, senescence and CAF activation is largely unexplored. ATF3 is a key stress response transcription factor with highly cell type specific functions, which has been discovered as a tumor promoter in keratinocytes in our lab. However, the biological and biochemical function of ATF3 in the dermal compartment of the skin has not been studied yet. Recently, we found that compromised Notch/CSL signaling in dermal fibroblasts (DFs) in mice is a primary cause of multifocal keratinocyte tumors called field cancerization associated with stromal atrophy, matrix alterations and inflammation. Further studies showed that CSL functions as a negative regulator of genes involved in DFs senescence and CAF activation. Here, we show that deletion or silencing of the ATF3 gene in DFs activates senescence and CAF-related gene expression similar to that triggered by loss of CSL, while increased ATF3 suppresses these changes. We hypothesize that ATF3 plays a suppressing role in CAF activation and keratinocyte tumor progression, overcoming the consequences of compromised Notch/CSL signaling. In support of this hypothesis, we found that loss of ATF3 in DFs promotes tumorigenic behavior of keratinocytes via negative control of cytokines, matrix-remodeling enzymes and cancer-associated proteins, possibly through direct binding to Notch/CSL targets, IL6 and Hes genes. On the other hand, in human clinical samples, stromal fields underlying premalignant actinic keratosis lesions showed significantly decreased ATF3 expression relative to stroma of flanking normal skin. Restoration of ATF3, which is lost in cancer development, may be used as a therapeutic tool for translational research to prevent or suppress the field cancerization process.

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.

Lack of evidence of the interaction of the Aß peptide with the Wnt signaling cascade in Drosophila models of Alzheimer's disease.

Background Alzheimer's disease (AD) is the leading form of dementia worldwide. The Aß-peptide is believed to be the major pathogenic compound of the disease. Since several years it is hypothesized that Aß impacts the Wnt signaling cascade and therefore activation of this signaling pathway is proposed to rescue the neurotoxic effect of Aß. Findings Expression of the human Aß42 in the Drosophila nervous system leads to a drastically shortened life span. We found that the action of Aß42 specifically in the glutamatergic motoneurons is responsible for the reduced survival. However, we find that the morphology of the glutamatergic larval neuromuscular junctions, which are widely used as the model for mammalian central nervous system synapses, is not affected by Aß42 expression. We furthermore demonstrate that genetic activation of the Wnt signal transduction pathway in the nervous system is not able to rescue the shortened life span or a rough eye phenotype in Drosophila. Conclusions Our data confirm that the life span is a useful readout of Aß42 induced neurotoxicity in Drosophila; the neuromuscular junction seems however not to be an appropriate model to study AD in flies. Additionally, our results challenge the hypothesis that Wnt signaling might be implicated in Aß42 toxicity and might serve as a drug target against AD.

Tumor necrosis factor (TNF) signaling, but not TWEAK (TNF-like weak inducer of apoptosis)-triggered cIAP1 (cellular inhibitor of apoptosis protein 1) degradation, requires cIAP1 RING dimerization and E2 binding.

Cellular inhibitor of apoptosis (cIAP) proteins, cIAP1 and cIAP2, are important regulators of tumor necrosis factor (TNF) superfamily (SF) signaling and are amplified in a number of tumor types. They are targeted by IAP antagonist compounds that are undergoing clinical trials. IAP antagonist compounds trigger cIAP autoubiquitylation and degradation. The TNFSF member TWEAK induces lysosomal degradation of TRAF2 and cIAPs, leading to elevated NIK levels and activation of non-canonical NF-kappaB. To investigate the role of the ubiquitin ligase RING domain of cIAP1 in these pathways, we used cIAP-deleted cells reconstituted with cIAP1 point mutants designed to interfere with the ability of the RING to dimerize or to interact with E2 enzymes. We show that RING dimerization and E2 binding are required for IAP antagonists to induce cIAP1 degradation and protect cells from TNF-induced cell death. The RING functions of cIAP1 are required for full TNF-induced activation of NF-kappaB, however, delayed activation of NF-kappaB still occurs in cIAP1 and -2 double knock-out cells. The RING functions of cIAP1 are also required to prevent constitutive activation of non-canonical NF-kappaB by targeting NIK for proteasomal degradation. However, in cIAP double knock-out cells TWEAK was still able to increase NIK levels demonstrating that NIK can be regulated by cIAP-independent pathways. Finally we show that, unlike IAP antagonists, TWEAK was able to induce degradation of cIAP1 RING mutants. These results emphasize the critical importance of the RING of cIAP1 in many signaling scenarios, but also demonstrate that in some pathways RING functions are not required.

Role of the c-Jun N-terminal Kinase signaling in pancreatic β-cells

L'insuline est une hormone qui diminue la concentration de sucre dans le sang et qui est produite par la cellule β du pancréas. Un défaut de production de cette hormone est une des causes principales du diabète. Cette perte de production d'insuline est la conséquence à la fois, de la réduction du nombre de cellules β et du mauvais fonctionnement des cellules β restantes. L'inflammation, en activant la voie de signalisation «c-Jun N-terminal Kinase» (JNK) contribue au déclin de ces cellules. Cette voie de signalisation est activée par des protéines telles que des kinases qui reçoivent le signal de stress. Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à étudier le rôle de «Dual leucine zipper bearing kinase» (DLK) comme protéine capable de relayer le stress inflammatoire vers l'activation de la voie JNK dans les cellules β-pancréatiques. Nous montrons que DLK est présente dans les cellules β-pancréatiques et qu'elle agit effectivement comme un activateur de la voie de signalisation de JNK. En outre, DLK joue un rôle clé dans le contrôle de l'expression de l'insuline, de la sécrétion de l'insuline en réponse au glucose et au maintien de la survie des cellules β. Si l'expression de cette protéine diminue, la cellule produit moins d'insuline et sera plus sensible à la mort en réponse au stress inflammatoire. A l'inverse si l'expression de DLK est augmentée, la cellule β produit et secrète plus d'insuline. Des variations de l'expression de DLK sont par ailleurs, associées à l'état de santé de la cellule β. Chez la ratte en gestation ou la souris obèse, dans lesquelles la cellule β produit plus d'insuline, l'expression de DLK est augmentée. En revanche dans les cellules β des patients diabétiques, l'expression de DLK est diminuée par rapport aux cellules non malades. En résumé, DLK est nécessaire pour le bon fonctionnement de la cellule β-pancréatique et son expression corrèle avec le degré de santé des cellules, faisant que cette protéine pourrait être une cible thérapeutique potentiel. Les cellules β-pancréatiques ont la capacité de réguler la sécrétion d'insuline en s'adaptant précisément au stimulus et à la glycémie. La fonction de la cellule β est cruciale dans l'homéostasie du glucose puisque sa dysfonction et sa mort mènent au développement des diabètes de type 1 et 2. De nombreuses études suggèrent que l'inflammation pourrait avoir un rôle dans la dysfonction et la destruction de ces cellules dans le diabète de type 2. L'excès chronique de cytokines proinflammatoires accélère le dysfonctionnement de la cellule β pancréatique par un mécanisme qui implique la voie de signalisation «c-Jun N-terminal Kinase» (JNK). L'activation de cette voie est organisée par des protéines d'échafaudages. Elle se fait par trois étapes successives de phosphorylation impliquant une «Mitogen Activated Protein Kinase Kinase Kinase» (MAP3K), une MAP2K et JNK. Dans ce travail de thèse nous montrons l'expression abondante et spécifique de la MAP3K «Dual Leucine Zipper Bearing Kinase» (DLK) dans les cellules β pancréatiques. Cela est la conséquence de l'absence du répresseur transcriptionnel «Repressor Element 1 Silencing Transcription». Nous montrons également que DLK régule l'activation de JNK et qu'il s'avère nécessaire pour la fonction et la survie de la cellule β pancréatique par un mécanisme impliquant le facteur de transcription PDX-1. L'invalidation de l'expression de DLK diminue l'expression de l'insuline et potentialise l'apoptose induite par des cytokines proinflammatoires. A l'inverse, la surexpression de DLK augmente l'expression et la sécrétion d'insuline induites par le glucose. Par conséquent des niveaux d'expression appropriés de DLK sont déterminants pour la fonction et la survie de la cellule β pancréatique. L'obésité et la grossesse sont caractérisées par une hyperinsulinémie qui résulte d'une augmentation de la production et de la sécrétion de l'insuline. L'expression de DLK est augmentée dans des îlots de rattes gestantes et des souris obèses comparés à leurs contrôles respectifs. A l'inverse, dans des sujets diabétiques, l'expression de DLK est diminuée. Ensemble ces résultats montrent l'importance de DLK dans l'adaptation des îlots par un mécanisme qui pourrait impliquer la voie de signalisation de JNK. Des défauts dans cette voie régulée par DLK pourraient contribuer au dysfonctionnement et la mort de la cellule β pancréatique et par conséquent au développement du diabète. L'étude détaillée du mécanisme par lequel DLK active la voie de signalisation JNK et régule la fonction de la cellule β pancréatique pourrait ouvrir la voie des nouvelles thérapies ciblant l'amélioration de la fonction de la cellule β dans le diabète. - Pancreatic β-cells are evidently plastic in their ability to regulate insulin secretion. The quantity of insulin released by these cells varies according to the stimulus, and the prevailing glucose concentration, β-cell function is pivotal in glucose homeostasis, as their dysfunction, and death can lead to development of type 1 and type 2 diabetes. There are numerous reports so far underlying the role of inflammation in dysfunction, and destruction of β-cells, in both type 1 and type 2 diabetes. Chronic excess of pro¬inflammatory cytokines promotes a β-cell decline, via induction of the c-Jun N-terminal Kinase (JNK) pathway. The activation of the JNK pathway is organized by a scaffold protein-mediated module in which, a three-step phosphorylation cascade occurs. The latter includes, Mitogen activated protein kinase kinase kinase (MAP3K), MAP2K and JNK. In this thesis, we unveil that the MAP3K Dual Leucine Zipper Bearing Kinase (DLK) is selectively, and highly expressed in pancreatic β-cells, as the result from the absence of the transcriptional repressor named, Repressor Element 1 Silencing Transcription (REST). We show that DLK regulates activation of JNK, and is required for β-cell function and survival by modulating the PDX-1 transcription factor. Silencing of DLK expression diminishes insulin expression, and potentiated cytokine-mediated apoptosis. Conversely, overexpression of DLK increased insulin expression, and glucose-induced insulin secretion. Therefore, an appropriate level of DLK is critical for β-cell function and survival. Obesity and pregnancy are characterized by hyperinsulinemia resulting from an increased production and secretion of insulin. In isolated islets of pregnant rats, and obese mice, the expression of DLK was elevated when compared to their respective controls. However, decreased expression of DLK was observed in islets of individuals with diabetes. Taken together, we highlight the importance of DLK in islet adaptation, and describe a mechanism that may involve the JNK signaling. Deficiency in the JNK pathway regulated by DLK may contribute to β-cell failure and death, and thereby development of diabetes. Unraveling the mechanism whereby DLK activates the JNK pathway, and β-cell function, may pave the way for the design of novel therapies, aiming to improve β-cell function and survival in diabetes in general.

Recognition of RNA virus by RIG-I results in activation of CARD9 and inflammasome signaling for interleukin 1 beta production.

Interleukin 1 beta (IL-1 beta) is a potent proinflammatory factor during viral infection. Its production is tightly controlled by transcription of Il1b dependent on the transcription factor NF-kappaB and subsequent processing of pro-IL-1 beta by an inflammasome. However, the sensors and mechanisms that facilitate RNA virus-induced production of IL-1 beta are not well defined. Here we report a dual role for the RNA helicase RIG-I in RNA virus-induced proinflammatory responses. Whereas RIG-I-mediated activation of NF-kappaB required the signaling adaptor MAVS and a complex of the adaptors CARD9 and Bcl-10, RIG-I also bound to the adaptor ASC to trigger caspase-1-dependent inflammasome activation by a mechanism independent of MAVS, CARD9 and the Nod-like receptor protein NLRP3. Our results identify the CARD9-Bcl-10 module as an essential component of the RIG-I-dependent proinflammatory response and establish RIG-I as a sensor able to activate the inflammasome in response to certain RNA viruses.

Phytochrome interacting factors 4 and 5 control seedling growth in changing light conditions by directly controlling auxin signaling.

Plant growth is strongly influenced by the presence of neighbors that compete for light resources. In response to vegetational shading shade-intolerant plants such as Arabidopsis display a suite of developmental responses known as the shade-avoidance syndrome (SAS). The phytochrome B (phyB) photoreceptor is the major light sensor to mediate this adaptive response. Control of the SAS occurs in part with phyB, which controls protein abundance of phytochrome-interacting factors 4 and 5 (PIF4 and PIF5) directly. The shade-avoidance response also requires rapid biosynthesis of auxin and its transport to promote elongation growth. The identification of genome-wide PIF5-binding sites during shade avoidance revealed that this bHLH transcription factor regulates the expression of a subset of previously identified SAS genes. Moreover our study suggests that PIF4 and PIF5 regulate elongation growth by controlling directly the expression of genes that code for auxin biosynthesis and auxin signaling components.