Generation of reconstituted human plasma-derived secretory-like IgA and IgM and their protective effect on intestinal epithelium

Les muqueuses sont les membranes tapissant les cavités du corps, tel que le tube digestif, et sont en contact direct avec l'environnement extérieur. Ces surfaces subissent de nombreuses agressions pouvant être provoquées par des agents pathogènes (bactéries, toxines ou virus). Cela étant, les muqueuses sont munies de divers mécanismes de protection dont notamment deux protéines-clés permettant de neutraliser les agents pathogènes : les anticorps ou immunoglobulines sécrétoires A (SIgA) et M (SIgM). Ces anticorps sont, d'une part, fabriqués au niveau de la muqueuse sous forme d'IgA et IgM. Lorsqu'ils sont sécrétés dans l'intestin, ils se lient à une protéine appelée pièce sécrétoire et deviennent ainsi SIgA et SïgM. La présence de la pièce sécrétoire est essentielle pour que les anticorps puissent fonctionner au niveau de la muqueuse. D'autre part, ces anticorps sont également fabriqués dans d'autres parties du corps en général et se retrouvent dans le sang sous forme d'IgA et IgM Chez l'homme, des thérapies basées sur l'injection d'anticorps donnent de bons résultats depuis de nombreuses années notamment dans le traitement des infections. Bien qu'un certain nombre d'études ont montré le rôle protecteur des anticorps de type IgA et IgM, ceux-ci ne sont que rarement utilisés dans les thérapies actuelles. La principale raison de cette faible utilisation réside dans la production ou la purification des IgA/IgM ou SIgA/SIgM (la forme active au niveau des muqueuses) qui est difficile à réaliser à large échelle. Ainsi, le but de la thèse était (1) d'étudier la possibilité d'employer des IgA et des IgM provenant du sang humain pour générer des SIgA et SIgM et (2) de voir si ces anticorps reconstitués pouvaient neutraliser certains agents pathogènes au niveau des muqueuses. Tout d'abord, une analyse biochimique des IgA et des IgM issues du sang a été effectuée. Nous avons observé que ces anticorps avaient des caractéristiques similaires aux anticorps naturellement présents au niveau des muqueuses. De plus, nous avons confirmé que ces anticorps pouvaient être associés à une pièce sécrétoire produite en laboratoire pour ainsi donner des SIgA et SIgM reconstituées. Ensuite, la fonctionnalité des anticorps reconstitués a été testée grâce à un modèle de couche unique de cellules intestinales différenciées (monocouches) en laboratoire imitant la paroi de l'intestin. Ces monocouches ont été infectées par une bactérie pathogène, Shigella flexneri, responsable de la shigellose, une maladie qui provoque des diarrhées sanglantes chez l'homme. L'infection des monocouches par les bactéries seules ou combinées aux SIgA et SIgM reconstituées a été analysée. Nous avons observé que les dommages des cellules étaient moins importants lorsque les SIgA étaient présentes. Il apparaît que les SIgA neutralisent les bactéries en se fixant dessus, ce qui provoque leur agrégation, et diminuent l'inflammation des cellules. La protection s'est montrée encore plus efficace avec les SIgM. De plus, nous avons vu que les SIgA et SIgM pouvaient diminuer la sécrétion de facteurs nocifs produits par les bactéries. Utilisant le même modèle des monocouches, la fonctionnalité des IgA issues du sang humain a aussi été testée contre une toxine sécrétée par une bactérie appelée Clostridium diffìcile. Cette bactérie peut être présente naturellement dans l'intestin de personnes saines, cependant elle peut devenir pathogène dans certaines conditions et être à l'origine de diarrhées et d'inflammations de l'intestin via la sécrétion de toxines. Des préparations d'anticorps contenant une certaine proportion de SIgA reconstituées ont amené à une diminution des dommages et de l'inflammation des monocouches causés par la toxine. L'ensemble de ces résultats prometteurs, montrant que des SIgA et SIgM reconstituées peuvent protéger la paroi de l'intestin des infections bactériennes, nous conduisent à approfondir la recherche sur ces anticorps dans des modèles animaux. L'aboutissement de ce type de recherche permettrait de tester, par la suite, l'efficacité sur l'homme de traitements des infections des muqueuses par injection d'anticorps de type SIgA et SIgM reconstituées. Les muqueuses, telle que la muqueuse gastrointestinale, sont des surfaces constamment exposées à l'environnement et leur protection est garantie par une combinaison de barrières mécaniques, physicochimiques et immunologiques. Parmi les divers mécanismes de protection immunologiques, la réponse humorale spécifique joue un rôle prépondérant et est assurée par les immunoglobulines sécrétoires de type A (SIgA) et M (SIgM). Les thérapies basées sur l'administration d'IgG apportent d'importants bénéfices dans le domaine de la santé. Bien que des études sur les animaux aient montré que l'administration par voie muqueuse d'IgA polymérique (plgA) ou SIgA pouvaient protéger des infections, des IgA/SIgA n'ont été utilisées qu'occasionnellement dans les thérapies. De plus, des études précliniques et cliniques ont démontré que l'administration par voie systémique de préparations enrichies en IgM pouvait aussi protéger des infections. Cependant, l'administration par voie muqueuse d'IgM/SIgM purifiées n'a pas été examinée jusqu'à présent. La principale raison est que la purification ou là production des IgA/SIgA et IgM/SIgM est difficile à réaliser à large échelle. Le but de ce travail de thèse était d'examiner la possibilité d'associer des IgA et IgM polyclonals purifiées à partir du plasma humain avec une pièce sécrétoire recombinante humaine afin de générer des SIgA et SIgM reconstituées fonctionnelles. Tout d'abord, une analyse biochimique des IgA et IgM issues du plasma humain a été effectuée par buvardage de western et Chromatographie. Ces molécules avaient des caractéristiques biochimiques similaires à celles des immunoglobulines issues de la muqueuse. L'association entre plgA ou IgM issues du plasma humain et la pièce sécrétoire recombinante humaine a été confirmée, ainsi que la stoechiométrie 1:1 de l'association. Comme dans les conditions physiologiques, cette association permettait de retarder la dégradation des SIgA et SIgM reconstituées exposées à des protéases intestinales. Ensuite, la fonctionnalité et le mode d'action des IgA et IgM issues du plasma humain, ainsi que des SIgA et SIgM reconstituées, ont été explorés grâce à un modèle in vitro de monocouches de cellules intestinales épithéliales polarisées de type Caco-2, qui imite l'épithélium intestinal. Les monocouches ont été infectées par un pathogène entérique, Shigella flexneri, seul ou combiné aux immunoglobulines issues du plasma humain ou aux immunoglobulines sécrétoires reconstituées. Bien que les dommages des monocouches aient été retardés par les plgA et SIgA reconstituées, les IgM et SIgM reconstituées se sont montrées supérieures dans le maintien de l'intégrité des cellules. Une agrégation bactérienne et une diminution de l'inflammation des monocouches ont été observées avec les plgA et SIgA reconstituées. Ces effets étaient augmentés avec les IgM et SIgM reconstituées. De plus, il s'est révélé que les deux types d'immunoglobulines de type sécrétoire reconstituées agissaient directement sur la virulence des bactéries en réduisant leur sécrétion de facteurs de virulence. La fonctionnalité des IgA issues du plasma humain a aussi été testée contre la toxine A de Clostridium difficile grâce au même modèle de monocouches de cellules épithéliales. Nous avons démontré que des préparations enrichies en IgA provenant du plasma humain pouvaient diminuer les dommages et l'inflammation des monocouches induits par la toxine. L'ensemble de ces résultats démontrent que des IgA et IgM de type sécrétoire peuvent être générées à partir d'IgA et IgM issues du plasma humain en les associant à la pièce sécrétoire et que ces molécules protègent l'épithélium intestinal contre des bactéries pathogènes. Ces molécules pourraient dès lors être testées dans des modèles in vivo. Le but final serait de les utiliser chez l'homme à des fins d'immunisation passive dans le traitement de pathologies associées à la muqueuse telles que les infections. - Mucosal surfaces, such as gastrointestinal mucosa, are constantly exposed to the external environment and their protection is ensured by a combination of mechanical, physicochemical and immunological barriers. Among the various immunological defense mechanisms, specific humoral mucosal response plays a crucial role and is mediated by secretory immunoglobulins A (SIgA) and M (SIgM). Immunoglobulin therapy based on the administration of IgG molecules leads important health benefits. Even though animal studies have shown that mucosal application of polymeric IgA (plgA) or SIgA provided protection against infections, IgA/SIgA have been only used occasionally for therapeutic application. Moreover, preclinical and clinical studies have demonstrated that systemic administration of IgM-enriched preparations could also afford protection against infections. Nevertheless, mucosal application of purified IgM/SIgM has not been examined. The main reason is that the purification or production of IgA/SIgA and IgM/SIgM at large scale is difficult to achieve. The aim of this PhD project was to examine the possibility to associate polyclonal human plasma-derived IgA and IgM with recombinant human secretory component (SC) to generate functional secretoiy-like IgA and IgM. First, biochemical analysis of human plasma IgA and IgM was performed by western blotting and chromatography. These molecules exhibited the same biochemical features as mucosa-derived antibodies (Abs). The association between human plasma plgA or IgM and recombinant human SC was confirmed, as well as the 1:1 stoichiometry of association. Similarly to physiological conditions, this association delayed the degradation of secretory-like IgA or IgM by intestinal proteases. Secondly, the function activity and the mode of action of human plasma IgA and IgM, as well as secretory-like IgA and IgM were explored using an in vitro model of polarized intestinal epithelial Caco-2 cell monolayers mimicking intestinal epithelium. Cell monolayers were infected with an enteropathogen, Shigella flexneri, alone or in combination to plasma Abs or secretory-like Abs. Even though plasma plgA and secretoiy-like IgA resulted in a delay of bacteria-induced damages of cell monolayers, plasma IgM and secretory-like IgM were shown to be superior in maintenance of cell integrity. Polymeric IgA and secretory-like IgA induced bacterial aggregation and decreased cell monolayer inflammation, effects further amplified with IgM and secretory-like IgM. In addition, both secretory-like Abs directly impacted on bacterial virulence leading to a reduction in secretion of virulence factors by bacteria. The functionality of human plasma IgA was also tested against Clostridium difficile toxin A using Caco-2 cell monolayers. Human plasma IgA- enriched preparations led to a diminution of cell monolayer damages and a decrease of cellular inflammation induced by the toxin. The sum of these results demonstrates that secretory-like IgA and IgM can be generated from purified human plasma IgA and IgM associated to SC and that these molecules are functional to protect intestinal epithelium from bacterial infections. These molecules could be now tested using in vivo models. The final goal would be to use them by passive immunization in the treatment of mucosa-associated pathologies like infections in humans.

Bcl9/Bcl9l are critical for Wnt-mediated regulation of stem cell traits in colon epithelium and adenocarcinomas.

Canonical Wnt signaling plays a critical role in stem cell maintenance in epithelial homeostasis and carcinogenesis. Here, we show that in the mouse this role is critically mediated by Bcl9/Bcl9l, the mammalian homologues of Legless, which in Drosophila is required for Armadillo/beta-catenin signaling. Conditional ablation of Bcl9/Bcl9l in the intestinal epithelium, where the essential role of Wnt signaling in epithelial homeostasis and stem cell maintenance is well documented, resulted in decreased expression of intestinal stem cell markers and impaired regeneration of ulcerated colon epithelium. Adenocarcinomas with aberrant Wnt signaling arose with similar incidence in wild-type and mutant mice. However, transcriptional profiles were vastly different: Whereas wild-type tumors displayed characteristics of epithelial-mesenchymal transition (EMT) and stem cell-like properties, these properties were largely abrogated in mutant tumors. These findings reveal an essential role for Bcl9/Bcl9l in regulating a subset of Wnt target genes involved in controlling EMT and stem cell-related features and suggest that targeting the Bcl9/Bcl9l arm of Wnt signaling in Wnt-activated cancers might attenuate these traits, which are associated with tumor invasion, metastasis, and resistance to therapy.

Lymphotoxin beta receptor signaling induces the chemokine CCL20 in intestinal epithelium.

BACKGROUND & AIMS: The follicle-associated epithelium (FAE) that overlies Peyer's patches (PPs) exhibits distinct features compared with the adjacent villus epithelium. Besides the presence of antigen-sampling membranous M cells and the down-regulation of digestive functions, it constitutively expresses the chemokine CCL20. The mechanisms that induce FAE differentiation and CCL20 expression are poorly understood. The aim of this work was to test whether lymphotoxin beta receptor signaling (LTbetaR), which plays a central role in PPs' organogenesis, mediates CCL20 gene expression in intestinal epithelial cells. METHODS: CCL20, lymphotoxin beta (LTbeta) and LTbetaR expression were monitored during embryonic development by in situ hybridization of mouse intestine. The human intestinal epithelial cell line T84 was used to study CCL20 expression following LTalpha(1)/beta(2) stimulation. In vivo CCL20 expression following agonistic anti-LTbetaR antibody treatment was studied by laser microdissection and quantitative RT-PCR. RESULTS: CCL20 was expressed in the FAE before birth at the time when the first hematopoietic CD4(+)CD3(-) appeared in the PP anlage. LTbetaR was expressed in the epithelium during PP organogenesis, making it a putative target for LTalpha(1)beta(2)signals. In vitro, CCL20 was induced in T84 cells upon LTbetaR signaling, either using an agonistic ligand or anti-LTbeta receptor agonistic antibody. LTalpha(1)beta(2)-induced CCL20 expression was found to be NF-kappaB dependent. LTbetaR signaling up-regulated CCL20 expression in the small intestinal epithelium in vivo. CONCLUSIONS: Our results show that LTbetaR signaling induces CCL20 expression in intestinal epithelial cells, suggesting that this pathway triggers constitutive production of CCL20 in the FAE.

Mutational analysis of cysteine-rich domains of the epithelium sodium channel (ENaC). Identification of cysteines essential for channel expression at the cell surface.

One of the characteristic features of the structure of the epithelial sodium channel family (ENaC) is the presence of two highly conserved cysteine-rich domains (CRD1 and CRD2) in the large extracellular loops of the proteins. We have studied the role of CRDs in the functional expression of rat alphabetagamma ENaC subunits by systematically mutating cysteine residues (singly or in combinations) into either serine or alanine. In the Xenopus oocyte expression system, mutations of two cysteines in CRD1 of alpha, beta, or gamma ENaC subunits led to a temperature-dependent inactivation of the channel. In CRD1, one of the cysteines of the rat alphaENaC subunit (Cys158) is homologous to Cys133 of the corresponding human subunit causing, when mutated to tyrosine (C133Y), pseudohypoaldosteronism type 1, a severe salt-loosing syndrome in neonates. In CRD2, mutation of two cysteines in alpha and beta but not in the gamma subunit also produced a temperature-dependent inactivation of the channel. The main features of the mutant cysteine channels are: (i) a decrease in cell surface expression of channel molecules that parallels the decrease in channel activity and (ii) a normal assembly or rate of degradation as assessed by nondenaturing co-immunoprecipitation of [35S]methionine-labeled channel protein. These data indicate that the two cysteines in CRD1 and CRD2 are not a prerequisite for subunit assembly and/or intrinsic channel activity. We propose that they play an essential role in the efficient transport of assembled channels to the plasma membrane.

Selective absence of CD8+ TCRalpha beta+ intestinal epithelial cells in transgenic mice expressing beta2-microglobulin-associated ligands exclusively on thymic cortical epithelium.

Whereas interactions between the TCRalpha beta and self MHC:peptide complexes are clearly required for positive selection of mature CD4(+) and CD8(+) T cells during intrathymic development, the role of self or foreign ligands in maintaining the peripheral T cell repertoire is still controversial. In this report we have utilized keratin 14-beta2-microglobulin (K14-beta2m)-transgenic mice expressing beta2m-associated ligands exclusively on thymic cortical epithelial cells to address the possible influence of TCR:ligand interactions in peripheral CD8(+) T cell homeostasis. Our data indicate that CD8(+) T cells in peripheral lymphoid tissues are present in normal numbers in the absence of self MHC class I:peptide ligands. Surprisingly, however, steady state homeostasis of CD8(+) T cells in the intestinal epithelium is severely affected by the absence of beta2m-associated ligands. Indeed TCRalpha beta(+) IEL subsets expressing CD8alpha beta or CD8alpha alpha are both dramatically reduced in K14-beta2m mice, suggesting that the development, survival or expansion of CD8(+) IEL depends upon interaction of the TCR with MHC class I:peptide or other beta2m-associated ligands elsewhere than on thymic cortical epithelium. Collectively, our data reveal an unexpected difference in the regulation of CD8(+) T cell homeostasis by beta2m-associated ligands in the intestine as compared to peripheral lymphoid organs.

Changes in the transcriptional profile of transporters in the intestine along the anterior-posterior and crypt-villus axes.

BACKGROUND: The purpose of this work was to characterize the expression of drug and nutrient carriers along the anterior-posterior and crypt-villus axes of the intestinal epithelium and to study the validity of utilizing whole gut tissue rather than purified epithelial cells to examine regional variations in gene expression. RESULTS: We have characterized the mRNA expression profiles of 76 % of all currently known transporters along the anterior-posterior axis of the gut. This is the first study to describe the expression profiles of the majority of all known transporters in the intestine. The expression profiles of transporters, as defined according to the Gene Ontology consortium, were measured in whole tissue of the murine duodenum, jejunum, ileum and colon using high-density microarrays. For nine transporters (Abca1, Abcc1, Abcc3, Abcg8, Slc10a2, Slc28a2, Slc2a1, Slc34a2 and Slc5a8), the mRNA profiles were further measured by RT-PCR in laser micro-dissected crypt and villus epithelial cells corresponding to the aforementioned intestinal regions. With respect to differentially regulated transporters, the colon had a distinct expression profile from small intestinal segments. The majority (59 % for p cutoff < or = 0.05) of transporter mRNA levels were constant across the intestinal sections studied. For the transporter subclass "carrier activity", which contains the majority of known carriers for biologically active compounds, a significant change (p < or = 0.05) along the anterior-posterior axis was observed. CONCLUSION: All nine transporters examined in laser-dissected material demonstrated good replication of the region-specific profiles revealed by microarray. Furthermore, we suggest that the distribution characteristics of Slc5a8 along the intestinal tract render it a suitable candidate carrier for monocarboxylate drugs in the posterior portion of the intestine. Our findings also predict that there is a significant difference in the absorption of carrier-mediated compounds in the different intestinal segments. The most pronounced differences can be expected between the adjoining segments ileum and colon, but the differences between the other adjoining segments are not negligible. Finally, for the examined genes, profiles measured in whole intestinal tissue extracts are representative of epithelial cell-only gene expression.

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.

Defining new criteria for selection of cell-based intestinal models using publicly available databases.

BACKGROUND: The criteria for choosing relevant cell lines among a vast panel of available intestinal-derived lines exhibiting a wide range of functional properties are still ill-defined. The objective of this study was, therefore, to establish objective criteria for choosing relevant cell lines to assess their appropriateness as tumor models as well as for drug absorption studies. RESULTS: We made use of publicly available expression signatures and cell based functional assays to delineate differences between various intestinal colon carcinoma cell lines and normal intestinal epithelium. We have compared a panel of intestinal cell lines with patient-derived normal and tumor epithelium and classified them according to traits relating to oncogenic pathway activity, epithelial-mesenchymal transition (EMT) and stemness, migratory properties, proliferative activity, transporter expression profiles and chemosensitivity. For example, SW480 represent an EMT-high, migratory phenotype and scored highest in terms of signatures associated to worse overall survival and higher risk of recurrence based on patient derived databases. On the other hand, differentiated HT29 and T84 cells showed gene expression patterns closest to tumor bulk derived cells. Regarding drug absorption, we confirmed that differentiated Caco-2 cells are the model of choice for active uptake studies in the small intestine. Regarding chemosensitivity we were unable to confirm a recently proposed association of chemo-resistance with EMT traits. However, a novel signature was identified through mining of NCI60 GI50 values that allowed to rank the panel of intestinal cell lines according to their drug responsiveness to commonly used chemotherapeutics. CONCLUSIONS: This study presents a straightforward strategy to exploit publicly available gene expression data to guide the choice of cell-based models. While this approach does not overcome the major limitations of such models, introducing a rank order of selected features may allow selecting model cell lines that are more adapted and pertinent to the addressed biological question.

VEGF is a mediator of retinal pigment epithelium permeability leading to photoreceptor cell death in light-induced retinal degeneration : gene therapy strategy to prevent AMD-disorders

ABSTRACTIn normal tissues, a balance between pro- and anti-angiogenic factors tightly controls angiogenesis. Alterations of this balance may have pathological consequences. For instance, concerning the retina, the vascular endothelial growth factor (VEGF) is a potent pro-angiogenic factor, and has been identified has a key player during ocular neovascularization implicated in a variety of retinal diseases. In the exudative form (wet-form) of age-related macular degeneration (AMD), neovascularizations occurring from the choroidal vessels are responsible for a quick and dramatic loss of visual acuity. In diabetic retinopathy and retinopathy of prematurity, sprouting from the retinal vessels leads to vision loss. Furthermore, the aging of the population, the increased- prevalence of diabetes and the better survival rate of premature infants will lead to an increasing rate of these conditions. In this way, anti-VEGF strategy represents an important therapeutic target to treat ocular neovascular disorders.In addition, the administration of Pigmented Epithelial growth factor, a neurotrophic and an anti- angiogenic factor, prevents photoreceptor cell death in a model of retinal degeneration induced by light. Previous results analyzing end point morphology reveal that the light damage (LD) model is used to mimic retinal degenerations arising from environmental insult, as well as aging and genetic disease such as advanced atrophic AMD. Moreover, light has been identified as a co-factor in a number of retinal diseases, speeding up the degeneration process. This protecting effect of PEDF in the LD retina raises the possibility of involvement of the balance between pro- and anti-angiogenic factors not only for angiogenesis, but also in cell survival and maintenance.The aim of the work presented here was to evaluate the importance of this balance in neurodegenerative processes. To this aim, a model of light-induced retinal degeneration was used and characterized, mainly focusing on factors simultaneously controlling neuron survival and angiogenesis, such as PEDF and VEGF.In most species, prolonged intense light exposure can lead to photoreceptor cell damage that can progress to cell death and vision loss. A protocol previously described to induce retinal degeneration in Balb/c mice was used. Retinas were characterized at different time points after light injury through several methods at the functional and molecular levels. Data obtained confirmed that toxic level of light induce PR cell death. Variations were observed in VEGF pathway players in both the neural retina and the eye-cup containing the retinal pigment epithelium (RPE), suggesting a flux of VEGF from the RPE towards the neuroretina. Concomitantly, the integrity of the outer blood-retinal-barrier (BRB) was altered, leading to extravascular albumin leakage from the choroid throughout the photoreceptor layer.To evaluate the importance of VEGF during light-induced retinal degeneration process, a lentiviral vector encoding the cDNA of a single chain antibody directed against all VEGF-A isoforms was developed (LV-V65). The bioactivity of this vector to block VEGF was validated in a mouse model of laser-induced choroidal neovascularization mediated by VEGF upregulation. The vector was then used in the LD model. The administration of the LV-V65 contributed to the maintenance of functional photoreceptors, which was assessed by ERG recording, visual acuity measurement and histological analyses. At the RPE level, the BRB integrity was preserved as shown by the absence of albumin leakage and the maintenance of RPE cell cohesion.These results taken together indicate that the VEGF is a mediator of light induced PR degeneration process and confirm the crucial role of the balance between pro- and anti-angiogenic factors in the PR cell survival. This work also highlights the prime importance of BRB integrity and functional coupling between RPE and PR cells to maintain the PR survival. VEGF dysregulation was already shown to be involved in wet AMD forms and our study suggests that VEGF dysregulation may also occur at early stages of AMD and could thus be a potential therapeutic target for several RPE related diseases.RESUMEDans les différents tissues de l'organisme, l'angiogenèse est strictement contrôlée par une balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques. Des modifications survenant dans cette balance peuvent engendrer des conséquences pathologiques. Par exemple, concernant la rétine, le facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF) est un facteur pro-angiogénique important. Ce facteur a été identifié comme un acteur majeur dans les néovascularisations oculaires et les processus pathologiques angiogéniques survenant dans l'oeil et responsables d'une grande variété de maladies rétiniennes. Dans la forme humide de la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA), la néovascularisation choroïdienne est responsable de la perte rapide et brutale de l'acuité visuelle chez les patients affectés. Dans la rétinopathie diabétique et celle lié à la prématurité, l'émergence de néovaisseaux rétiniens est la cause de la perte de la vision. Les néovascularisations oculaires représentent la principale cause de cécité dans les pays développés. De plus, l'âge croissant de la population, la progression de la prévalence du diabète et la meilleure survie des enfants prématurés mèneront sans doute à l'augmentation de ces pathologies dans les années futures. Dans ces conditions, les thérapies anti- angiogéniques visant à inhiber le VEGF représentent une importante cible thérapeutique pour le traitement de ces pathologies.Plusieurs facteurs anti-angiogéniques ont été identifiés. Parmi eux, le facteur de l'épithélium pigmentaire (PEDF) est à la fois un facteur neuro-trophique et anti-angiogénique, et l'administration de ce facteur au niveau de la rétine dans un modèle de dégénérescence rétinienne induite par la lumière protège les photorécepteurs de la mort cellulaire. Des études antérieures basées sur l'analyse morphologique ont révélé que les modifications survenant lors de la dégénération induite suite à l'exposition à des doses toxiques de lumière représente un remarquable modèle pour l'étude des dégénérations rétiniennes suite à des lésions environnementales, à l'âge ou encore aux maladies génétiques telle que la forme atrophique avancée de la DMLA. De plus, la lumière a été identifiée comme un co-facteur impliqué dans un grand nombre de maladies rétiniennes, accélérant le processus de dégénération. L'effet protecteur du PEDF dans les rétines lésées suite à l'exposition de des doses toxiques de lumière suscite la possibilité que la balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques soit impliquée non seulement dans les processus angiogéniques, mais également dans le maintient et la survie des cellules.Le but de ce projet consiste donc à évaluer l'implication de cette balance lors des processus neurodégénératifs. Pour cela, un modèle de dégénération induite par la lumière à été utilisé et caractérisé, avec un intérêt particulier pour les facteurs comme le PEDF et le VEGF contrôlant simultanément la survie des neurones et l'angiogenèse.Dans la plupart des espèces, l'exposition prolongée à une lumière intense peut provoquer des dommages au niveau des cellules photoréceptrices de l'oeil, qui peut mener à leur mort, et par conséquent à la perte de la vision. Un protocole préalablement décrit a été utilisé pour induire la dégénération rétinienne dans les souris albinos Balb/c. Les rétines ont été analysées à différents moments après la lésion par différentes techniques, aussi bien au niveau moléculaire que fonctionnel. Les résultats obtenus ont confirmé que des doses toxiques de lumière induisent la mort des photorécepteurs, mais altèrent également la voie de signalisation du VEGF, aussi bien dans la neuro-rétine que dans le reste de l'oeil, contenant l'épithélium pigmentaire (EP), et suggérant un flux de VEGF provenant de ΙΈΡ en direction de la neuro-rétine. Simultanément, il se produit une altération de l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne externe, menant à la fuite de protéine telle que l'albumine, provenant de la choroïde et retrouvée dans les compartiments extravasculaires de la rétine, telle que dans la couche des photorécepteurs.Pour déterminer l'importance et le rôle du VEGF, un vecteur lentiviral codant pour un anticorps neutralisant dirigée contre tous les isoformes du VEGF a été développé (LV-V65). La bio-activité de ce vecteur a été testé et validée dans un modèle de laser, connu pour induire des néovascularisations choroïdiennes chez la souris suite à l'augmentation du VEGF. Ce vecteur a ensuite été utilisé dans le modèle de dégénération induite par la lumière. Les résultats des électrorétinogrammes, les mesures de l'acuité visuelle et les analyses histologiques ont montré que l'injection du LV-V65 contribue à la maintenance de photorécepteurs fonctionnels. Au niveau de l'EP, l'absence d'albumine et la maintenance des jonctions cellulaires des cellules de l'EP ont démontré que l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne externe est préservée suite au traitement.Par conséquent, tous les résultats obtenus indiquent que le VEGF est un médiateur important impliquée dans le processus de dégénération induit par la lumière et confirme le rôle cruciale de la balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques dans la survie des photorécepteurs. Cette étude révèle également l'importance de l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne et l'importance du lien fonctionnel et structurel entre l'EP et les photorécepteurs, essentiel pour la survie de ces derniers. Par ailleurs, Cette étude suggère que des dérèglements au niveau de l'équilibre du VEGF ne sont pas seulement impliqués dans la forme humide de la DMLA, comme déjà démontré dans des études antérieures, mais pourraient également contribuer et survenir dans des formes précoces de la DMLA, et par conséquent le VEGF représente une cible thérapeutique potentielle pour les maladies associées à des anomalies au niveau de l'EP.

PPARbeta/delta regulates paneth cell differentiation via controlling the hedgehog signaling pathway.

BACKGROUND & AIMS: All 4 differentiated epithelial cell types found in the intestinal epithelium derive from the intestinal epithelial stem cells present in the crypt unit, in a process whose molecular clues are intensely scrutinized. Peroxisome proliferator-activated receptor beta (PPARbeta) is a nuclear hormone receptor activated by fatty acids and is highly expressed in the digestive tract. However, its function in intestinal epithelium homeostasis is understood poorly. METHODS: To assess the role of PPARbeta in the small intestinal epithelium, we combined various cellular and molecular approaches in wild-type and PPARbeta-mutant mice. RESULTS: We show that the expression of PPARbeta is particularly remarkable at the bottom of the crypt of the small intestine where Paneth cells reside. These cells, which have an important role in the innate immunity, are strikingly affected in PPARbeta-null mice. We then show that Indian hedgehog (Ihh) is a signal sent by mature Paneth cells to their precursors, negatively regulating their differentiation. Importantly, PPARbeta acts on Paneth cell homeostasis by down-regulating the expression of Ihh, an effect that can be mimicked by cyclopamine, a known inhibitor of the hedgehog signaling pathway. CONCLUSIONS: We unraveled the Ihh-dependent regulatory loop that controls mature Paneth cell homeostasis and its modulation by PPARbeta. PPARbeta currently is being assessed as a drug target for metabolic diseases; these results reveal some important clues with respect to the signals controlling epithelial cell fate in the small intestine.

Hyperactivation of retina by light in mice leads to photoreceptor cell death mediated by VEGF and retinal pigment epithelium permeability.

Light toxicity is suspected to enhance certain retinal degenerative processes such as age-related macular degeneration. Death of photoreceptors can be induced by their exposure to the visible light, and although cellular processes within photoreceptors have been characterized extensively, the role of the retinal pigment epithelium (RPE) in this model is less well understood. We demonstrate that exposition to intense light causes the immediate breakdown of the outer blood-retinal barrier (BRB). In a molecular level, we observed the slackening of adherens junctions tying up the RPE and massive leakage of albumin into the neural retina. Retinal pigment epithelial cells normally secrete vascular endothelial growth factor (VEGF) at their basolateral side; light damage in contrast leads to VEGF increase on the apical side - that is, in the neuroretina. Blocking VEGF, by means of lentiviral gene transfer to express an anti-VEGF antibody in RPE cells, inhibits outer BRB breakdown and retinal degeneration, as illustrated by functional, behavioral and morphometric analysis. Our data show that exposure to high levels of visible light induces hyperpermeability of the RPE, likely involving VEGF signaling. The resulting retinal edema contributes to irreversible damage to photoreceptors. These data suggest that anti-VEGF compounds are of therapeutic interest when the outer BRB is altered by retinal stresses.

Molecular mechanisms of follicular associated epithelium differentiation

Les muqueuses respiratoires, genitales et digestives sont continuellement exposées aux antigènes de l?alimentation, à la flore intestinale et aux pathogènes. Cela implique une activité immunologique intense et finement régulée dans ces tissus. On admet que la modulation de ces réponses immunitaires muqueuses s?effectue dans des organes sentinels spécifiques appelés o-MALT (organized mucosal associated lymphoid tissues). Ces processus de modulation et la biologie de ces sites immuno-inducteurs sont peu connus. Ceci est pourtant d?une grande relevance si l?on veut faire un design rationnel de drogues et de vaccins muqueux. Dans l?intestin grèle, ces organes sont composés de follicules multiples et sont appelés plaques de Peyer. Ils sont constitués de follicules enrichis en cellules B comprenant ou non un centre germinatif, de regions interfolliculaires comprenant des cellules T, et d?une région en d ome riche en cellules dendritiques, cellules B naives et cellules T CD4+, surmontée par un epithelium specialisé, le FAE (epithelium associé aux follicules). Le FAE contient des cellules M spécialisées dans le transport de macromolécules et micro-organismes de la lumière intestinale au tissu lymphoide sous-jacent. Ce transport des antigènes est une condition obligatoire pour induire une réponse immunitaire. Les cellules du FAE, outre les cellules M, expriment un programme de différenciation distinct de celui des cellules associées aux villosités. Ceci est characterisé par une baisse des fonctions digestives et de défenses, et l?expression constitutive des chimiokines: CCL20 et CCL25. Le but de l?étude présentée ici est de rechercher les facteurs cellulaires et/ou moléculaire responsables de cette différenciation. Certaines études ont démontré l?importance du contact entre le compartiment mésenchymateux et l?épithelium pour la morphogenèse de ce dernier. En particulier, les molécules de la matrice extracellulaire peuvent activer des gènes clefs qui, à leur tour, vont controler l?adhésion et la differenciation cellulaire. Dans l?intestin, les cellules mésenchymateuses différencient en myofibroblastes qui participent à l?élaboration de la matrice extracellulaire. Dans cette étude, nous avons décrit les différences d?expression de molécules de la matrices sous le FAE et les villosités. Nous avons également montré une absence de myofibroblastes sous le FAE. Suite à plusieurs évidences expérimentales, certains ont proposé une influence des composés présents dans la lumière sur la différenciation et/ou la maturation des plaques de Peyer. La chimiokine CCL20, capable de recruter des cellules initiatrices de la réponse immunitaire, constitue notre seul marqueur positif de FAE. Nous avons pu montrer que la flagelline, un composé du flagelle bactérien, était capable d?induire l?expression de CCL20 in vitro et in vivo. Cet effet n?est pas limité aux cellules du FAE mais est observé sur l?ensemble de l?épithelium intestinal. Molecular mechanisms of FAE differenciation. La signalement induit par la lymphotoxine ß est critique pour l?organogenèse des plaques de Peyer, car des souris déficientes pour cette molécules ou son récepteur n?ont ni plaque de Peyer, ni la plupart des ganglions lymphatiques. Nous avons obtenus plusieurs évidences que la lymphotoxine ß était impliquée dans la régulation du gène CCL20 in vitro et in vivo.<br/><br/>Mucosal surfaces of the respiratory, genital and digestive systems are exposed to food antigens, normal bacterial flora and oral pathogens. This justifies an intense and tuned immunological activity in mucosal tissues. The modulation of immune responses in the mucosa is thought to occur in specific sentinel sites, the organized mucosa associated lymphoid tissues (o-MALT). This immune modulation and the biology of these immune-inductive sites are poorly understood but highly important and relevant in the case of drugs and vaccines design. In the small intestine, these organs (gut associated lymphoid tissue : GALT) consists of single or multiple lymphoid follicles, the so-called Peyer?s patches (PP), with typical B cell-enriched follicles and germinal centers, inter-follicular T cell areas, and a dome region enriched in dendritic cells, naive B cells, and CD4+ T cells under a specialized follicle associated epithelium (FAE). To trigger protective immunity, antigens have to cross the mucosal epithelial barrier. This is achieved by the specialized epithelial M cells of the FAE that are able to take up and transport macromolecules and microorganisms from the environment into the underlying organized lymphoid tissue. The ontogeny of M cells remains controversial: some data are in favor of a distinct cell lineage, while others provide evidence for the conversion of differentiated enterocytes into M cells. In this study we mapped the proliferative, M cells and apoptotic compartments along the FAE. Enterocytes acquire transient M cell features as they leave the crypt and regain enterocyte properties as they move towards the apoptotic compartment at the apex of the FAE, favouring the hypothesis of a plastic phenotype. The follicle-associated epithelium (FAE) is found exclusively over lymphoid follicles in mucosal tissues, including Peyer?s patches. The enterocytes over Peyer?s patches express a distinct phenotype when compared to the villi enterocytes, characterized by the down regulation of digestive and defense functions and the constitutive expression of chemokines, i.e. CCL20 and CCL25. The purpose of this study was to investigate and identify the potential cells and/or molecules instructing FAE differentiation. Contact between the epithelial and the mesenchymal cell compartment is required for gut morphogenesis. Extracellular matrix molecules (ECM) can activate key regulatory genes which in turn control cell adhesion and differentiation. In the gut, mesenchymal cells differentiate into myofibroblats that participate to the elaboration of ECM. We have described a differential expression of extracellular matrix components under the FAE, correlating with the absence of subepithelial myofibroblats. Molecular mechanisms of FAE differenciation. Different studies proposed an influence of the luminal compartment in the differentiation and/or the maturation of PP. CCL20, a chemokine able to recruit cells that initiate adaptive immunity constitutes our first positive FAE molecular marker. We have shown that CCL20 gene expression is inducible in vitro and in vivo in intestinal epithelium by flagellin, a component of bacterial flagella. This effect was not restricted to the FAE. Lymphotoxin ß (LTß) signaling is critical for PPs organogenesis as LT deficient mice as well as LTß-receptor-/- mice lack PPs and most of the lymph nodes (LN). The continuous signaling via LTßR-expressing cells appears necessary for the maintenance throughout the life of PP architecture. We obtained in vitro and in vivo evidence that LTß signalling is involved in CCL20 gene expression.

Epithelium-Intrinsic NAIP/NLRC4 Inflammasome Drives Infected Enterocyte Expulsion to Restrict Salmonella Replication in the Intestinal Mucosa.

The gut mucosal epithelium separates the host from the microbiota, but enteropathogens such as Salmonella Typhimurium (S.Tm) can invade and breach this barrier. Defenses against such acute insults remain incompletely understood. Using a murine model of Salmonella enterocolitis, we analyzed mechanisms limiting pathogen loads in the epithelium during early infection. Although the epithelium-invading S.Tm replicate initially, this intraepithelial replicative niche is restricted by expulsion of infected enterocytes into the lumen. This mechanism is compromised if inflammasome components (NAIP1-6, NLRC4, caspase-1/-11) are deleted, or ablated specifically in the epithelium, resulting in ∼100-fold higher intraepithelial loads and accelerated lymph node colonization. Interestingly, the cytokines downstream of inflammasome activation, interleukin (IL)-1α/β and IL-18, appear dispensable for epithelial restriction of early infection. These data establish the role of an epithelium-intrinsic inflammasome, which drives expulsion of infected cells to restrict the pathogen's intraepithelial proliferation. This may represent a general defense mechanism against mucosal infections.

Manipulating keratinocyte stem cell proliferation and differentiation using RNA interference

ABSTRACT : The epidermis, the outermost compartment of the skin, is a stratified and squamous epithelium that constantly self-renews. Keratinocytes, which represent the main epidermal population, are responsible for its cohesion and barrier function. Epidermal renewal necessitates a fine equilibrium between keratinocyte proliferation and differentiation. The keratinocyte stem cell, located in the basal cell layer, is responsible for epidermal homeostasis and regeneration during the wound healing process. The transcription factor p63 structurally belongs to the p53 superfamily. It is expressed in the basal and supra-basal cell layers of stratified epithelia and is thought to be important for the renewal or the differentiation of keratinocyte stem cells (Yang et al., 1999; Mills et al., 1999). In order to better understand its function, we established an in vitro model of p63 deficient human keratinocyte stem cells using a shp63 mediated RNA interference. Knockdown of endogenous p63 induces downregulation of cell-adhesion genes as previously described (Carroll et al., 2006). Interestingly, the replating of attached p63-knockdown keratinocytes on a feeder layer results in a loss of attachment and proliferation. They are no longer clonogenic. However, if the same population are replated in a fibrin matrix, extended fibrinolysis is reported, a common process in wound healing, suggesting that p63 regulates the fibrinolytic pathway. This result was confirmed by Q-PCR and shows that the urokinase pathway, which mediates fibrinolysis, is upregulated. Altogether, these findings suggest a mechanism in which the fine tuning of p63 expression promotes attachment or release of the keratinocyte stem cell from the basement membrane by inducing genes of adhesion and/or of fibrinolysis. This mechanism may be important for epidermal self-renewal, differentiation as well as wound healing. Its misregulation may be partly responsible for the p63 knockout phenotype. The downregulation of p63 also induces a decrease in LEKTI expression. LEKTI (lymphoepithelial Kazal-type serine protease inhibitor) is a serine protease inhibitor encoded by the Spink5 gene. It is expressed and secreted in the uppermost differentiated layers of stratified epithelia and plays a role in the desquamation process. When this gene is disrupted, humans develop the Netherton syndrome (Chavanas et al., 2000b). It is a dermatosis characterized by hair dysplasias, ichtyosiform erythroderma and impairment in epidermal barrier function promoting inflammation similarly as in psoriasis with inflammatory infiltrate in excess. TNFα (tumor necrosis factor alpha) and EDA1 (ectodysplasin A1) are two transmembraneprecursors that belong to the TNF superfamily, which is involved in immune and inflammation regulation (Smahi et al., 2002). We suggest that the secreted serine protease inhibitor LEKTI plays a role in the regulation of TNFα and EDA1 precursor cleavage and absence of LEKTI induces excess of inflammation. To investigate this hypothesis, we induced downregulation of Spink5 expression in rat keratinocyte stem cells by using a shSpink5 mediated RNA interference approach. Interestingly, expression of TNFα and EDA1 is modified after knockdown of Spink5 by Q-PCR. Moreover, downregulation of Spink5 induces loss of cohesiveness between keratinocytes and colonies adopt a scattered phenotype. Altogether, these preliminary data suggest that downregulation of LEKTI may play a role in the inflammatory response in Netherton syndrome patients, by regulating TNFα expression.