Long-term cerebral plasticity-related gene expression : a study of the respective role of CBP and CRTC1 in CREB transcriptional activation

1.1 AbstractThe treatment of memory disorders and cognitive deficits in various forms of mental retardation may greatly benefit from a better understanding of the molecular and cellular mechanisms of memory formation. Different forms of memory have distinct molecular requirements.Short-term memory (STM) is thought to be mediated by covalent modifications of existing synaptic molecules, such as phosphorylation or dephosphorylation of enzymes, receptors or ion channels. In contrast, long-term memoiy (LTM) is thought to be mediated by growth of new synapses and restructuring of existing synapses. There is extensive evidence that changes in gene expression and de novo protein synthesis are key processes for LTM formation. In this context, the transcription factor CREB (cAMP-response element-binding protein) was shown to be crucial. Activation of CREB requires phosphorylation of a serine residue (Ser-133), and the subsequent recruitment of a coactivator called CREB-binding protein (CBP). Moreover, we have recently shown that another coactivator called CREB Regulated Transcription Coactivator 1 (CRTC1) functions as a calcium- and cAMP-sensitive coincidence detector in neurons, and is involved in hippocampal long-term synaptic plasticity. Given the importance of cAMP and calcium signaling for plasticity-related gene expression in neurons and in astrocytes, we sought to determine the respective involvement of the CREB coactivators CBP and CRTC1 in CREB-mediated transcription.We developed various strategies to selectively interfere with these CREB coactivators in mouse primary neurons and in astrocytes in vitro. However, despite several pieces of evidence implicating CBP and/or CRTC1 in the regulation of neuronal plasticity genes, we could not clearly determine the respective requirement of these coactivators for the activation of these genes. Nevertheless, we showed that calcineurin activity, which is important for CRTC1 nuclear translocation, is necessary for the expression of some CREB-regulated plasticity genes. We associated this phenomena to physiopathological conditions observed in Down's syndrome. In addition, we demonstrated that in astrocytes, noradrenaline stimulates CREB-target gene expression through β-adrenergic receptor activation, intracellular cAMP pathway activation, and CRTC-induced CREB transactivation.Defining the respective role of CREB and its coactivators CBP and CRTC1 in neuronal and astrocytic cultures in vitro sets the stage for future in vivo studies and for the possible development of new therapeutic strategies to improve the treatment of memoiy and cognitive disorders.1.2 RésuméUne meilleure connaissance des mécanismes moléculaires et cellulaires responsables de la formation de la mémoire pourrait grandement améliorer le traitement des troubles de la mémoire ainsi que des déficits cognitifs observés dans différentes formes de pathologies psychiatriques telles que le retard mental. Les différentes formes de mémoire dépendent de processus moléculaires différents.La mémoire à court terme (STM) semble prendre forme suite à des modifications covalentes de molécules synaptiques préexistantes, telles que la phosphorylation ou la déphosphorylation d'enzymes, de récepteurs ou de canaux ioniques. En revanche, la mémoire à long terme (LTM) semble être due à la génération de nouvelles synapses et à la restructuration des synapses existantes. De nombreuses études ont permis de démontrer que les changements dans l'expression des gènes et la synthèse de protéine de novo sont des processus clés pour la formation de la LTM. Dans ce contexte, le facteur de transcription CREB (cAMP-response element-binding protein) s'est avéré être un élément crucial. L'activation de CREB nécessite la phosphorylation d'un résidu sérine (Ser-133), et le recrutement d'un coactivateur nommé CBP (CREB binding protein). En outre, nous avons récemment démontré qu'un autre coactivateur de CREB nommé CRTC1 (CREB Regulated Transcription Coactivator 1) agit comme un détecteur de coïncidence de l'AMP cyclique (AMPc) et du calcium dans les neurones et qu'il est impliqué dans la formation de la plasticité synaptique à long terme dans l'hippocampe. Etant donné l'importance des voies de l'AMPc et du calcium dans l'expression des gènes impliqués dans la plasticité cérébrale, nous voulions déterminer le rôle respectif des coactivateurs de CREB, CBP et CRTC1.Nous avons développé diverses stratégies pour interférer de façon sélective avec les coactivateurs de CREB dans les neurones et dans les astrocytes chez la souris in vitro. Nos résultats indiquent que CBP et CRTC1 sont tous deux impliqués dans la transcription dépendante de CREB induite par l'AMPc et le calcium dans les neurones. Cependant, malgré plusieurs évidences impliquant CBP et/ou CRTC1 dans l'expression de gènes de plasticité neuronale, nous n'avons pas pu déterminer clairement leur nécessité respective pour l'activation de ces gènes. Toutefois, nous avons montré que l'activité de la calcineurine, dont dépend la translocation nucléaire de CRTC1, est nécessaire à l'expression de certains de ces gènes. Nous avons pu associer ce phénomène à une condition physiopathologique observée dans le syndrome de Down. Nous avons également montré que dans les astrocytes, la noradrénaline stimule l'expression de gènes cibles de CREB par une activation des récepteurs β- adrénergiques, l'activation de la voie de l'AMPc et la transactivation de CREB par les CRTCs.Définir le rôle respectif de CREB et de ses coactivateurs CBP et CRTC1 dans les neurones et dans les astrocytes in vitro permettra d'acquérir les connaissances nécessaires à de futures études in vivo et, à plus long terme d'éventuellement développer des stratégies thérapeutiques pour améliorer les traitements des troubles cognitifs.

Arginase as a marker of disease severity in human leishmaniasis

The leishmaniases are a group of diseases transmitted by the bite of Leishmania infected female phlebotomine sand flies. The diseases occur in different forms: localized, diffuse and muco-cutaneous leishmaniasis, and visceral leishmaniasis (VL). Inside macrophages, the main host cells of the obligate intracellular Leishmania parasites, nitric oxide synthase and arginase can regulate parasite killing or growth. In experimental leishmaniasis, we previously reported that non-healing disease is associated with higher arginase activity at site of pathology, correlating with local suppression of T cell function. To test whether these data translate to human leishmaniasis, the following study was initiated: I first tested the hypothesis that local suppression of T cell responses observed in persistent CL is associated with arginase induced L-arginine depletion. The results showed that arginase activity is increased at site of pathology compared to peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) of LCL patients and intact skin of healthy controls. The phenotype of arginase expressing cells was identified in both compartments as CD15+ CD14|0W low-density granulocytes (LDGs). Finally, high arginase activity at site of pathology observed in cutaneous lesions of patients coincides with downregulation of CD3Ç, CD4 and CD8 molecules in CD4+ and CD8+ T cells at site of pathology. We concluded that increased arginase levels in lesions of LCL patients might contribute to CL pathogenesis by impairing T cell effector function at site of pathology. Next, it was tested whether arginase, an enzyme associated with immunosuppression, is higher in patients with VL and contributes to impaired T cell function through depletion of L- arginine. The results showed that higher level of arginase activity in the PBMC coincides with active phase of VL. Cells expressing arginase in PBMCs were also found to be LDGs. Importantly, increased arginase activity and frequency of degranulated neutrophils coincided with lower plasma L-arginine levels. Furthermore, downregulation of CD3Ç, in T cells correlated with low plasma arginine levels. VL/HIV co-infection is a frequently reported leishmaniasis complication in Ethiopia associated with poor prognosis, with up to 40% mortality rate and high relapse rate. Arginase activity was significantly increased in PBMCs and plasma of VL patients co-infected with HIV than in those having VL alone. Similarly, cells expressing arginase in PBMCs were found to be LDGs. In summary, the results presented here show that increased arginase activity is a marker of disease severity in human leishmaniasis with and without HIV; further, these results suggest that arginase mediated L-arginine depletion may inhibit T cell function and contribute to impaired control of infection. - Les leishmanioses sont un groupe de maladies transmises par la piqûre de mouches des sables femelles, appelées phlébotomes, ayant été infectées par Leishmania. Les maladies se manifestent sous différentes formes: la leishmaniose cutanée localisée, la leishmaniose diffuse et mucocutanée et la leishmaniose viscérale (LV). A l'intérieur des macrophages, les principales cellules hôtes des parasites, l'oxyde nitrique synthase et l'arginase, peuvent contrôler, soit la mort du parasite, soit sa croissance. Pour la leishmaniose expérimentale, nous avons déjà rapporté que le développement de lesions qui ne guérissent pas est associé à une activité plus grande d'arginase au site d'infection, en corrélation avec la suppression locale de la fonction des cellules T. Pour vérifier si ces données pouvaient s'appliquer à la leishmaniose humaine, j'ai d'abord vérifié l'hypothèse selon laquelle la suppression locale des réponses des cellules T observée dans la CL persistante, est associée à la la diminution de L- arginine induite par l'arginase. Les résultats ont montré que l'activité arginase est augmentée au site d'infection, par rapport aux cellules mononucléées du sang périphérique (CMSP) de patients LCL et à la peau intacte des contrôles sains. Le phénotype de cellules exprimant l'arginase a été identifié dans les deux compartiments comme des granulocytes CD15+ et CD 14" de basse densité (LDG). Enfin, l'activité arginase élevée au site de la pathologie, observée dans les lésions cutanées de patients, coïncide avec la reduction dde l'expression des molécules CD3Ç, CD4 et CD8 dans les cellules T CD4+ et CD8+ au site de pathologie . Nous avons conclu que l'augmentation des niveaux d'arginase dans les lésions de patients LCL pourrait contribuer à la pathogenèse de la CL, en altérant la fonction effectrice des celllules T au site de la pathologie. Ensuite, nous avons vérifié si l'arginase, une enzyme associée à l'immunosuppression, était plus élevée chez les patients atteints de VL et si elle contribuait à la mauvaise fonction des cellules T par la depletion en L-arginine. Les résultats ont montré qu'un niveau plus élevé de l'activité arginase dans les PBMC correspond à la phase active de la VL. Les cellules exprimant l'arginase dans les CMSP se sont révélées à être de type LDG . Il est important de souligner que l'augmentation de l'activité arginase et la fréquence des neutrophiles dégranulés a coïncidé avec des niveaux inférieurs de L-arginine plasmatique. En outre, la suppression de CD3Ç dans les cellules T correlle avec de faibles niveaux d'arginine plasmatique . Il a été fréquement rapporté que la co-infection VL/VIH est une complication de la leishmaniose en Ethiopie, associée à un mauvais prognostic, un taux de mortalité pouvant atteindre 40% et un pourcentage élevé de rechutes. L'activité de l'arginase a beaucoup plus augmentée dans les CMSP et le plasma de patients atteints de VL et co-infectés par le VIH, que chez ceux seulement attaints de VL. De même, les cellules exprimant l'arginase dans les CMSP sont aussi des LDG. En résumé, les résultats présentés ici montrent que l'augmentation de l'activité de l'arginase est un marqueur de gravité de la la leishmaniose humaine, avec ou sans VIH ; en outre, ces résultats suggèrent que la déplétion de L-arginine par l'arginase pourrait inhiber la fonction des cellules T et contribuer à un contrôle réduit de l'infection. - Les Leishmanioses sont des maladies parasitaires transmises par la piqûre d'une mouche des sables femelle (phlébotome) infectée par Leishmania. La maladie se manifeste sous différentes formes cliniques : la leishmaniose viscérale, une maladie progressive mortelle en l'absence de traitement, la leishmaniose muco-cutanée (MCL), la leishmaniose cutanée diffuse (LCD ) maladie mutilante, qui peut être de longue durée et la leishmaniose cutanée localisée maladie dont on guérit mais laissant une cicatrice inesthétique à vie. La maladie est largement répandue, elle affecte les populations les plus pauvres dans 98 pays et 350 millions de personnes à risque. Globalement on estime à 500.000 les nouveaux cas de la forme viscérale et 1-1.5 million ceux de la leishmaniose cutanée. La leishmaniose est fortement endémique en Ethiopie et se manifeste dans les formes viscérale et cutanée. Le parasite Leishmania infecte et se multiplie dans les cellules du système immunitaire, principalement les macrophages. Les macrophages sont capables de tuer le parasite Leishmania s'ils reçoivent des instructions correctes de la part d'autres cellules du système immunitaire, les lymphocytes. Les macrophages expriment deux enzymes importants, appelés oxide nitrique synthase inductible (iNOS ) et l'arginase, qui sont respectivement associés à la promotion de la mort du parasite et la multiplication. L'enzyme iNOS présent dans les macrophages métabolise l'arginine afin de générer de l'oxyde d'azote (NO) , une molécule effectrice nécessaire pour tuer le parasite . Au contraire, lorsque les macrophages sont activés d'une certaine manière conduisant à l'augmention de la régulation de l'arginase, ils métabolisent l'arginine en polyamines qui favorisent la croissance du parasite. Au cours du développement de la leishmaniose, les lymphocytes ne parviennent pas à transmettre aux macrophages les signaux nécessaires pour tuer le parasite. Les mécanismes cellulaires qui sont la cause de ce défaut, ne sont pas bien compris. En utilisant des modèles animaux, nous avons montré la régulation à la hausse de l'arginase au site de la pathologie, qui s'est traduit par l'altération de la fonction effectrice des lymphoctes. Nous avons initié des études de leishmaniose humaine en Ethiopie afin d'identifier le rôle de l'arginase dans la sévérité de la maladie. Nos résultats montrent, que l'arginase est fortement augmentée dans la lésion des patients CL, et dans le sang des patients VL et ceux co-infectés par VL / VIH. Le niveau d' arginase régulée à la hausse coincide avec l'expression inférieure d'une molécule de signalisation dans les lymphocytes, qui est essentielle à leur bon fonctionnement. En VL actif, l'augmentation d'arginase se traduit par la diminution de l'arginine qui est indispensable à la synthèse de NO et au bon fonctionnement des lymphocytes. Ainsi, l'incapacité des lymphocytes à envoyer des signaux adéquats aux macrophages pourrait être due à la suppression de l'arginine.

Modulation of inflammatory pathways by the HIV protease inhibitors

Les inhibiteurs de la protéase du VIH (IP) constituent une des classes de traitements antirétroviraux parmi les plus utilisés au cours de l'infection par le VIH. Leur utilisation est associée à divers effets secondaires, notamment la dyslipidémie, la résistance à l'insuline, la lipodystrophie et certaines complications cardio-vasculaires. Ces molécules ont également des propriétés anti-tumorales, décrites chez des patients non infectés par le VIH. Pourtant, les mécanismes moléculaires à l'origine de ces effets annexes restent méconnus. Dans ce travail, nous démontrons que les IP, comme le Nelfinavir, le Ritonavir, le Lopinavir, le Saquinavir et l'Atazanavir, entrainent la production d'interleukine-lß (IL-lß), une puissante cytokine pro-inflammatoire, connue pour son rôle central dans les maladies inflammatoires. La sécrétion d'IL-lß requiert la formation de l'inflammasome, un complexe protéique intracellulaire servant de plateforme d'activation de la caspase-1 et, par la suite, à la maturation protéolytique de certaines cytokines, dont l'IL-lß. Dans les macrophages murins en culture primaire, ainsi que dans une lignée de monocytes humains, nous démontrons que les IP augmentent la maturation et la sécrétion de l'IL-lß via l'induction d'un inflammasome dépendant de ASC. De plus, nous établissons que les IP induisent spécifiquement l'activation de AIM2, un inflammasome détectant la présence intracytosolique d'ADN viral ou bactérien. Nos résultats démontrent l'existence d'une nouvelle voie d'activation de l'inflammasome AIM2 par un signal endogène dont la nature reste à définir. Ces données suggèrent que AIM2 pourrait jouer un rôle important dans la promotion de l'activité anti-tumorale ainsi que dans les autres effets annexes observés chez les patients traités par IP. -- HIV protease inhibitors (Pis) are among the most often used classes of antiretroviral drugs for HIV infection. Treatment of patients with HIV-PIs is associated with the development of metabolic side effects including dyslipidemia, insulin resistance, lipodystrophy and cardiovascular complications. In addition, these drugs have been reported to have anti¬tumoral properties in non-infected patients, however the molecular mechanisms causing these off-target effects are still unclear. Here we show that the HIV-PIs, such as Nelfinavir, Ritonavir, Lopinavir, Saquinavir and Atazanavir, activate the production of interleukin-lß (IL-lß), a potent pro-inflammatory cytokine that plays a central role in the pathogenesis of inflammatory diseases. The release of IL-lß depends on the activation of the inflammasome, a multiprotein complex that serves as a platform for caspase-1 activation and subsequent proteolytic maturation of cytokines including IL-lß. We found that in mouse primary macrophages as well as in a human monocytic cell line, the HIV-PIs augment the maturation and secretion of IL-lß by triggering an ASC-dependent inflammasome activation. Moreover, we show that the HIV-PIs specifically engage AIM2, a recently characterized inflammasome -forming protein that was described to detect the cytosolic release of bacterial and viral DNA. Our findings demonstrate a new pathway of activation of the AIM2 inflammasome by a yet to be defined endogenous signal and may suggest a possible role for AIM2 in promoting anti¬tumoral activity and off-target effects observed in HIV-PIs treated patients.

GENETIC AND BIOCHEMICAL ANALYSIS OF THE TESTIS-SPECIFIC ZINC FINGER PROTEIN CTCFL/BORIS

Abstract en FrançaisCTCFL a d'abord été identifié comme un paralogue de la protéine ubiquitaire CTCF en raison de sa forte homologie entre leurs onze « zinc fingers », un domaine de liaison à l'ADN. Parmi ses nombreux rôles, la liaison des zinc fingers de CTCF à la région de contrôle de l'empreinte (ICR) maternelle non-méthylée Igf2/H19, contrôle l'expression empreinte (monoallélique) de H19 et IGF2 dans les cellules somatiques. La méthylation de l'ICR Igf2/H19 paternelle est nécessaire à l'expression empreinte de ces deux gènes. Bien que le mécanisme par lequel l'ICR est méthylé soit mal compris, il est connu que l'établissement de la méthylation se produit pendant le développement des cellules germinales mâles et que les ADN méthyltransférases de novo DNMT3A et DNMT3L sont essentiels. Par conséquent, CTCFL fournit un bon candidat pour un rôle dans la méthylation de l'ICR paternelle Igf2/H19 en raison de son expression restreinte à certains types de cellules où la méthylation de l'ICR a lieu (spermatogonies et spermatocytes) ainsi qu'en raison sa capacité à lier les ICR lgf2/HÎ9 dans ces cellules. Les premiers travaux expérimentaux de cette thèse portent sur le rôle possible des mutations de CTCFL chez les patients atteints du syndrome de Silver-Russell (SRS), où une diminution de la méthylation de l'ICR IGF2/H19 a été observée chez 60% d'entre eux. Admettant que CTCFL pourrait être muté chez ces patients, j'ai examiné les mutations possibles de CTCFL chez 35 d'entre eux par séquençage de l'ADN et analyse du nombre de copies d'exons. N'ayant trouvé aucune mutation chez ces patients, cela suggère que les mutations de CTCFL ne sont pas associées au SRS. Les travaux expérimentaux suivants ont porté sur les modifications post-traductionnelles de CTCFL par la protéine SU MO « small ubiquitin-like modifier » (SUMO). La modification de protéines par SU MO change les interactions avec d'autres molécules (ADN ou protéines). Comme CTCFL régule sans doute l'expression d'un certain nombre de gènes dans le cancer et que plusieurs facteurs de transcription sont régulés par SUMO, j'ai mené des expériences pour déterminer si CTCFL est sumoylé. En effet, j'ai observé que CTCFL est sumoylated in vitro et in vivo et j'ai déterminé les deux résidus d'attachement de SUMO aux lysines 181 et 645. Utilisant les mutants de CTCFL K181R et K645R ne pouvant pas être sumoylated, j'ai évalué les conséquences fonctionnelles de la modification par SUMO. Je n'ai trouvé aucun changement significatif dans la localisation subcellulaire, la demi-vie ou la liaison à l'ADN, mais ai constaté que la sumoylation module à la fois {'activation CTCFL-dépendante et la répression de l'expression génique. Il s'agit de la première modification post-traductionnelle décrite pour CTCFL et les conséquences possibles de cette modification sont discutées pour le cancer et les testicules normaux. Avec cette thèse, j'espère avoir ajouté des résultats importants à l'étude de CTCFL et donné quelques idées pour de futures recherches.AbstractJeremiah Bernier-Latmani, Institute of Pathology, University of Lausanne, CHUVCTCFL was first identified as a paralog of the ubiquitous protein CTCF because of high homology between their respective eleven zinc fingers, a DNA binding domain. Among its many roles, CTCF zinc finger-mediated binding to the unmethylated maternal Igf2/H19 imprinting control region (ICR), controls the imprinted (monoallelic) expression of Igf2 and H19 in somatic cells. Methylation of the paternal Igf2/H19 ICR is necessary for the imprinted expression of the two genes. Although the mechanism by which the ICR is methylated is incompletely understood, it is known that establishment of methylation occurs during male germ cell development and the de novo DNA methyltransferases DNMT3A and DNMT3L are essential. Therefore, CTCFL provided a good candidate to play a role in methylation of the paternal Igf2/H19 ICR because of its restricted expression to cell types where ICR methylation takes place (spermatogonia and spermatocytes) and its ability to bind the Igf2/H19 ICR in these cells. The first experimental work of this thesis investigated the possible role of CTCFL mutations in Silver-Russell syndrome (SRS) patients, where it has been observed that 60% of the patients have reduced methylation of the IGF2/HÎ9 ICR. Reasoning that CTCFL could be mutated in these patients, I screened 35 patients for mutations in CTCFL by DNA sequencing and exon copy number analysis, I did not find any mutations in these patients suggesting that mutations of CTCFL are not associated with SRS. The next experimental work of my thesis focused on posttranslational modification of CTCFL by small ubiquitin-like modifier (SUMO) protein. SUMO modification of proteins changes the interactions with other molecules (DNA or protein). As CTCFL arguably regulates the expression of a number of genes in cancer and many transcription factors are regulated by SUMO, I conducted experiments to assess whether CTCFL is sumoylated. I found that CTCFL is sumoylated in vitro and in vivo and determined the two residues of SUMO attachment to be lysines 181 and 645. Using K181R, K645R mutated CTCFL- which cannot be detected to be sumoylated-1 assessed the functional consequences of SUMO modification. I found no significant changes in subcellular localization, half-life or DNA binding, but found that sumoylation modulates both CTCFL-dependent activation and repression of gene expression. This is the first posttranslational modification described for CTCFL and possible consequences of this modification are discussed in both cancer and normal testis. With this thesis, I hope I have added important findings to the study of CTCFL and provide some ideas for future research.

Analysis of CD4+ and CD8+ T cells by defined MHC-peptide complexes

MHC class II-peptide multimers are important tools for the detection, enumeration and isolation of antigen-specific CD4+ Τ cells. However, their erratic and often poor performance impeded their broad application and thus in-depth analysis of key aspects of antigen-specific CD4+ Τ cell responses. In the first part of this thesis we demonstrate that a major cause for poor MHC class II tetramer staining performance is incomplete peptide loading on MHC molecules. We observed that peptide binding affinity for "empty" MHC class II molecules poorly correlates with peptide loading efficacy. Addition of a His-tag or desthiobiotin (DTB) at the peptide N-terminus allowed us to isolate "immunopure" MHC class II-peptide monomers by affinity chromatography; this significantly, often dramatically, improved tetramer staining of antigen-specific CD4+ Τ cells. Insertion of a photosensitive amino acid between the tag and the peptide, permitted removal of the tag from "immunopure" MHC class II-peptide complex by UV irradiation, and hence elimination of its potential interference with TCR and/or MHC binding. Moreover, to improve loading of self and tumor antigen- derived peptides onto "empty" MHC II molecules, we first loaded these with a photocleavable variant of the influenza A hemagglutinin peptide HA306-318 and subsequently exchanged it with a poorly loading peptide (e.g. NY-ESO-1119-143) upon photolysis of the conditional ligand. Finally, we established a novel type of MHC class II multimers built on reversible chelate formation between 2xHis-tagged MHC molecules and a fluorescent nitrilotriacetic acid (NTA)-containing scaffold. Staining of antigen-specific CD4+ Τ cells with "NTAmers" is fully reversible and allows gentle cell sorting. In the second part of the thesis we investigated the role of the CD8α transmembrane domain (TMD) for CD8 coreceptor function. The sequence of the CD8α TMD, but not the CD8β TMD, is highly conserved and homodimerizes efficiently. We replaced the CD8α TMD with the one of the interleukin-2 receptor a chain (CD8αTac) and thus ablated CD8α TMD interactions. We observed that ΤΙ Τ cell hybridomas expressing CD8αTacβ exhibited severely impaired intracellular calcium flux, IL-2 responses and Kd/PbCS(ABA) P255A tetramer binding. By means of fluorescence resonance energy transfer experiments (FRET) we established that CD8αTacβ associated with TCR:CD3 considerably less efficiently than CD8αβ, both in the presence and the absence of Kd/PbCS(ABA) complexes. Moreover, we observed that CD8αTacβ partitioned substantially less in lipid rafts, and related to this, associated less efficiently with p56Lck (Lck), a Src kinase that plays key roles in TCR proximal signaling. Our results support the view that the CD8α TMD promotes the formation of CD8αβP-CD8αβ dimers on cell surfaces. Because these contain two CD8β chains and that CD8β, unlike CD8α, mediates association of CD8 with TCR:CD3 as well as with lipid rafts and hence with Lck, we propose that the CD8αTMD plays an important and hitherto unrecognized role for CD8 coreceptor function, namely by promoting CD8αβ dimer formation. We discuss what implications this might have on TCR oligomerization and TCR signaling. - Les multimères de complexes MHC classe II-peptide sont des outils importants pour la détection, le dénombrement et l'isolation des cellules Τ CD4+ spécifiques pour un antigène d'intérêt. Cependant, leur performance erratique et souvent inadéquate a empêché leur utilisation généralisée, limitant ainsi l'analyse des aspects clés des réponses des lymphocytes Τ CD4+. Dans la première partie de cette thèse, nous montrons que la cause principale de la faible efficacité des multimères de complexes MHC classe II-peptide est le chargement incomplet des molécules MHC par des peptides. Nous montrons également que l'affinité du peptide pour la molécule MHC classe II "vide" n'est pas nécessairement liée au degré du chargement. Grâce à l'introduction d'une étiquette d'histidines (His-tag) ou d'une molécule de desthiobiotine à l'extrémité N-terminale du peptide, des monomères MHC classe II- peptide dits "immunopures" ont pu être isolés par chromatographic d'affinité. Ceci a permis d'améliorer significativement et souvent de façon spectaculaire, le marquage des cellules Τ CD4+ spécifiques pour un antigène d'intérêt. L'insertion d'un acide aminé photosensible entre l'étiquette et le peptide a permis la suppression de l'étiquette du complexe MHC classe- Il peptide "immunopure" par irradiation aux UV, éliminant ainsi de potentielles interférences de liaison au TCR et/ou au MHC. De plus, afin d'améliorer le chargement des molécules MHC classe II "vides" avec des peptides dérivés d'auto-antigènes ou d'antigènes tumoraux, nous avons tout d'abord chargé les molécules MHC "vides" avec un analogue peptidique photoclivable issu du peptide HA306-318 de l'hémagglutinine de la grippe de type A, puis, sous condition de photolyse, nous l'avons échangé avec de peptides à chargement faible (p.ex. NY-ESO-1119-143). Finalement, nous avons construit un nouveau type de multimère réversible, appelé "NTAmère", basé sur la formation chélatante reversible entre les molécules MHC-peptide étiquettés par 2xHis et un support fluorescent contenant des acides nitrilotriacetiques (NTA). Le marquage des cellules Τ CD4+ spécifiques pour un antigène d'intérêt avec les "NTAmères" est pleinement réversible et permet également un tri cellulaire plus doux. Dans la deuxième partie de cette thèse nous avons étudié le rôle du domaine transmembranaire (TMD) du CD8α pour la fonction coréceptrice du CD8. La séquence du TMD du CD8α, mais pas celle du TMD du CD8β, est hautement conservée et permet une homodimérisation efficace. Nous avons remplacé le TMD du CD8α avec celui de la chaîne α du récepteur à l'IL-2 (CD8αTac), éliminant ainsi les interactions du TMD du CD8α. Nous avons montré que les cellules des hybridomes Τ T1 exprimant le CD8αTacβ présentaient une atteinte sévère du flux du calcium intracellulaire, des réponses d'IL-2 et de la liaison des tétramères Kd/PbCS(ABA) P255A. Grâce aux expériences de transfert d'énergie entre molécules fluorescentes (FRET), nous avons montré que l'association du CD8αTacβ avec le TCR:CD3 est considérablement moins efficace qu'avec le CD8αβ, et ceci aussi bien en présence qu'en absence de complexes Kd/PbCS(ABA). De plus, nous avons observé que le CD8αTacβ se distribuait beaucoup moins bien dans les radeaux lipidiques, engendrant ainsi, une association moins efficace avec p56Lck (Lck), une kinase de la famille Src qui joue un rôle clé dans la signalisation proximale du TCR. Nos résultats soutiennent l'hypothèse que le TMD du CD8αβ favorise la formation des dimères de CD8αβ à la surface des cellules. Parce que ces derniers contiennent deux chaînes CD8β et que CD8β, contrairement à CD8α, favorise l'association du CD8 au TCR:CD3 aussi bien qu'aux radeaux lipidiques et par conséquent à Lck, nous proposons que le TMD du CD8α joue un rôle important, jusqu'alors inconnu, pour la fonction coreceptrice du CD8, en encourageant la formation des dimères CD8αβ. Nous discutons des implications possibles sur l'oligomerisation du TCR et la signalisation du TCR.

Development and evaluation of antibody-MHC/peptide conjugates as a new form of cancer immunotherapy

Summary One of the major goals of cancer immunotherapy is the induction of a specific and effective antitumor cytotoxic T lymphocyte (CTL) response. However, the downregulation of Class I Major Histocompatibility Complexes (MHC) expression and the low level of tumor peptide presentation on tumor cell surface, ás well as the low immunogenicity of tumor specific antigens, limit the effectiveness of anti-tumor CTL responses. On the other hand, monoclonal antibodies, which bind with high affinity to tumor cell surface markers, are powerful tumor targeting tools. However, their capacity to .kill cancer cells is limited and mAb cancer treatments usually require the addition of different form of chemotherapy. The new cancer immunotherapy strategy described herein combines the advantage of the high tumor targeting capacity of monoclonal antibodies (mAb) with the powerful cytotoxicity of CD8 T lymphocytes directed against highly antigenic peptide-MHC complexes. Monoclonal antibody Fab fragments directed against a cell surface tumor associated antigen (TAA) are chemically coupled to soluble MHC class I complexes carrying a highly antigenic peptide. Antibody guided targeting and oligomerization of numerous antigenic class IMHC/peptide complexes on tumor cell surfaces can redirect the cytotoxicity of peptide-specific CD8 T cells towards target cancer cells. After the description of the production of murine anti-tumor xMHC/peptide conjugates in the first part of this thesis, the therapeutic potential of such conjugates were sequentially investigated in different syngeneic tumor mouse models. As a first proof of principle, transgenic OT-1 mice and later CEA transgenic C57BL/6 (B6) mice, adoptively transferred with OT-1 spleen cells and immunized with ovalbumin, were used as a model of high frequency of ova peptide specific T cells. In these mice, growth inhibition and regression of palpable colon carcinoma expressing CEA, were obtained by systemic injection of anti-CEA Fab/H-2Kb/ova peptide conjugates. Next, LCMV virus and influenza virus infection of B6 mice were used as viral models to redirect natural antiviral CTL responses to tumors via conjugates loaded with viral peptides. We showed that in mice infected with the LCMV virus, subcutaneous CEA-expressing tumor cells were inhibited by the H2Db/GP33 restricted anti-viral CTL response when preincubated before grafting with anti-CEA Fab-H-2Db/GP33 peptide conjugates. In mice infected with the influenza virus, lung metastases expressing the HER2 antigen were inhibited by the H-2Db/NP366 restricted CTLs response when preincubated before injection with anti-Her2 Fab-H-2Db/NP366 peptide conjugates. In the last chapter, the stability of the peptide in the anti-CEA Fab-H-2Db/GP33 conjugates was improved by the covalent photocross-link of the GP33 peptide in the H-2Db MHC groove. Thus, LCMV immune mice could reject CEA expressing tumors when treated with systemic injections of anti-CEA FabH-2Db/GP33 cross-linked conjugates. These results are encouraging for the potential application of this strategy in clinic. Such conjugates could be used alone in patients boosted by the relevant virus, or used in combination with existing T cell based ìmmunotherapy. Résumé Une des principales approches utilisées dans l'immunothérapie contre le cancer consiste en l'induction d'une réponse T cytotoxique (CTL) spécifiquement dirigée contre la tumeur. Cependant, le faible niveau d'expression des complexes majeurs d'histocompatibilité de classe I (CMH I) et de présentation des peptides tumoraux à la surface des cellules cancéreuses ainsi que la faible immunogenicité des antigens tumoraux, limitent l'efficacité de la réponse CTL. D'autre part,. l'injection d'anticorps monoclonaux (mAb), se liant avec une haute affinité aux marqueurs de surface des cellules tumorales, a fourni des résultats cliniques encourageant. Cependant l'efficacité de ces mAbs contre des tumeur solides reste limitée et necessite souvent l'addition de chimiotherapie. La nouvelle stratégie thérapeutique décrite dans ce travail associe le fort pouvoir de localisation des anticorps monoclonaux et le fort pouvoir cytotoxique des lymphocytes T CD8+. Des fragments Fab d'anticorps monoclonaux, dirigés contre des antigènes surexprimés à la surface de cellules tumorales, ont été chimiquement couplés à des CMH I solubles, portant un peptide fortement antigénique. Le ciblage et l'oligomérisation à la surface des cellules tumorales de nombreux CMH I présentant un peptide antigénique, va réorienter la cytotoxicité des cellules T CD8+ spécifiques du peptide présenté, vers les cellules tumorales cibles. Après une description de la production de conjugé anti-tumeur x CMH Upeptide dans la première partie de cette thèse, le potentiel thérapeutique de tels conjugés a été successivement étudiés in vivo dans différents modèles de tumeur syngénéiques. Tout d'abord, des souris OT-1 transgéniques, puis des souris C57BL/6 (B6) transférées avec des cellules de rate OT-1 puis immunisées avec l'ovalbumine, ont été employées comme modèle de haute fréquence de cellules T CD8+ spécifiques du peptide ova. Chez ces souris, l'inhibition de la croissance et la régression de nodules palpables de carcinomes exprimant l'antigène caccino embryonaire (ACE), ont été obtenues par l'injection systémique de conjugés anti-ACE Fab/H-2Kb/ova. Par la suite, l'infection de souris B6 par le virus LCMV et par le virus de la grippe, ont été utilisés comme modèles viraux pour redirigées des réponses anti-virales naturelles vers les tumeurs, en utilisant des conjugés chargés avec des peptides viraux. Nous avons montré que .chez les souris infectées par le LCMV, la croissance de carcinome sous-cutané est empêchée par la réponse anti-virale, spécifique du complexe H2Db/GP33, lorsque les cellules tumorales greffées sont pré-incubées avec des conjugés anti-CEA Fab-H-2Db/GP33. Dans le cas de souris infectées par le virus de la grippe, la métastatisation de mélanomes pulmonaires exprimant l'antigène HER-2 est inhibée par la réponse anti-virale spécifique du complexe H-2Db/NP366, après pré-incubation des cellules tumorales avec des conjugés anti-Her2 FabxH-2Db/NP366. Dans le dernier chapitre, la liaison covalente du peptide GP33 dans le complexe H-2Db a amélioré la stabilité des conjugés correspondants et a permis le traitement systémique de souris greffées avec des tumeurs exprimant l'ACE et infectées par le LCMV. L'ensemble de ces résultats sont encourageant pour l'application de cette strategie en clinique. De tels conjugués pourraient être employés seuls ou en combinaison avec des protocols d'immunisation peptidique anti-tumoral. Résumé pour un large public Dans les pays industrialisés, le cancer se situe au deuxième rang des causes de mortalité après les maladies cardiovasculaires. Les principaux traitement de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches mises en oeuvre pour la lutte contre le cancer. Elle peut être humorale, et s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la proliferation des cellules tumorales exprimant l'antigène. Certains sont utilisés en clinique pour le traitement de lymphomes, de carcinomes de l'ovaire et du sein ou encore de carcinomes metastatiques du côlon. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements exigent souvent d'être combiner avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et reposer sur une démarche de type vaccinal, consistant à générer des lymphocytes T cytotoxiques (cytotoxic T lymphocytes :CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Or les cellules tumorales ne presentent pas efficacement les peptides antigèniques, car elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des antigènes d'histocompatibilité de classe I, des molécules d'adhésion et des cytokines costimulatrices, et par une faible expression des antigènes associés aux tumeurs. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL specifiquement dirigés contre des antigens tumoraux, les régressions tumorales obtenus grace à ces vaccinations sont relativement rares. Alors que chez les personnes atteintes du cancer on observe l'instauration d'une tolérance immunitaire vis-à-vis de la tumeur, à l'inverse, notre systeme immunitaire reste parfaitement capable de combattre des infection virales classiques, tels que la grippe, qui font aussi appel à une réponse T cytotoxique. Notre groupe de recherche a donc eu l'idee de développer une nouvelle approche thérapeutique où une réponse immunitaire anti-virale très efficace serait redirigée vers les tumeurs par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons chimiquement couplés des fragments d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes surexprimés à la surface de cellules tumorales, à des CMH I portant un peptide viral antigénique. Les cellules tumorales, ciblées par le fragment anticorps et couvertes d' antigènes viraux présentés par des molécules de CMH I, peuvent ainsi tromper les lymphocytes cytotoxiques anti-viraux qui vont détruire les cellules tumorales comme si elles étaient infectées par le virus. Suite à des résultats prometteurs obtenus in vitro avec différents conjugués anticorps-CMH humain de type HLA.A2/peptide Flu, le but du projet était de tester in vivo des conjugués anticorps-CMH I murins sur des modèles expérimentaux de souris. Tout d'abord, des souris transgéniques pour un recepteur T specifique du peptide ova, puis des transferts adoptifs de ces cellules T specifiques dans des souris immunocompétentes, ont été choisi comme modèle de haute fréquence des cellules T spécifiques, et ont permi de valider le principe de la strategie in vivo. Puis, deux modèles viraux ont été elaboré avec le virus LCMV et le virus Influenza, pour réorienter des réponses antivirales naturelles vers les tumeurs grâce à des conjugés chargés avec des peptides viraux. Nous avons montré la grande capacité de nos conjugués à rediriger des réponses cytotoxiques vers les tumeurs et inhiber la croissance de tumeurs syngénéiques sous cutanés et pulmonaires. Ces résultats d'inhibition tumorales obtenus dans des souris immunocompétentes, grâce à l'injection de conjugués anticorps xCMH/peptide et réorientant deux réponses antivirales différentes vers deux modèles tumoraux syngeneiques, sont encourageant pour l'application de cette nouvelle stratégie en clinique.

Analysis of antiviral immunity in primary and chronic infections

Several evidences in humans underscored the contribution of CD4 and CD8 T-cell responses in controlling viral and bacterial infections. However, CD4 and CD8 Τ cells have distinct and specific effector functions leading to a hierarchical importance in responding to different types of pathogens. In this context, the present work aimed to investigate distinct CD8 T-cell features potentially influencing T-cell efficacy against viral infection. To achieve this-objective, CD8 Τ cells derived from HIV-infected patients and healthy donors harbouring virus-specific immune responses or immunized with an HTV vaccine candidate were studied. In particular, we performed a comprehensive cross-sectional and longitudinal analysis to characterize the function, the phenotype and the functional avidity of HIV-specific CD8 Τ cells during acute (PHI) and chronic infection and, in particular, we investigated immunological parameters potentially associated with the functional avidity of HIV-specific CD8 Τ cells. In addition, we studied the expression pattern of co-inhibitory molecules and the influence of CD 160 on the functions of CD8 Τ cells in absence of chronic infections. From these analyses we observed that the functional avidity of HIV-specific CD8 T- cell responses was significantly lower in acute than in chronic infection, but was not different between chronic progressive and non-progressive patients. Functional avidity remained low after several years of antiretroviral therapy in PHI patients, but increased in patients experiencing a virus rebound following treatment interruption in association with a massive renewal of the global CD8 complementarity-determining region 3 of the TCR. The functional avidity was also directly associated to T-cell exhaustion. In individuals with no sign of HIV or Hepatitis A, Β or C virus infection, CD8 Τ cells expressed higher levels of co-inhibitory molecules than CD4 Τ cells and this was dependent on the stage of T-cell differentiation and activation. The expression of CD 160 impaired the proliferation capacity and IL-2 production of CD8 Τ cells and was reduced upon CD8 T-cell activation, entitling CD 160 as unique marker of CD8 T-cell exhaustion. The CD 160 blockade restored the proliferation capacity of virus-specific CD8 Τ cells providing a potential new target for immunotherapy. All together, these results expand our knowledge regarding the interplay between the immune system and the viruses. - De nombreuses études chez l'Homme ont mis en évidence la contribution des réponses cellulaires Τ CD4 et CD8 dans le contrôle des infections virales et bactériennes. En particulier, les lymphocytes Τ ont différentes fonctions effectrices spécifiques qui leur confèrent un rôle clé lors d'infections par différents pathogènes. Ce travail vise à étudier différentes caractéristiques des cellules Τ CD8 affectant l'efficacité des réponses cellulaires contre les virus. Pour atteindre cet objectif nous avons étudié les cellules Τ CD8 provenant de patients infectés par le VIH et de donneurs sains avec des réponses immunitaires naturelles ou vaccinales contre des virus. Nous avons effectué plusieurs analyses transversales et longitudinales des fonctions, du phénotype et de l'avidité fonctionnelle des lymphocytes Τ CD8 spécifiques au VIH au cours d'infections aiguës et chroniques; en particulier, nous avons étudié les paramètres immunologiques qui pourraient être associés à l'avidité fonctionnelle. De plus, nous avons investigué le profil d'expression des principales molécules co-inhibitrices et en particulier le rôle du CD 160 dans les fonctions des lymphocytes Τ CD8. Sur la base de ces analyses, nous avons constaté que l'avidité fonctionnelle des cellules Τ CD8 spécifiques au VIH était significativement plus faible lors infections aiguës que lors d'infections chroniques, mais n'était, par contre, pas différente entre les patients avec des infections chroniques progressives et non progressives. L'avidité fonctionnelle reste faible après plusieurs années de traitement antirétroviral, mais augmente chez les patients subissant un rebond viral, et donc exposés à des hautes virémies, suite à l'interruption du traitement. Cette augmentation d'avidité des lymphocytes Τ CD8, liée à un épuisement fonctionnel accru, était quantitativement directement associée à un renouvellement massif du TCR. Indépendamment de l'infection par le VIH, les cellules Τ CD8 expriment des niveaux plus élevés de molécules co-inhibitrices (PD-1, 2B4 et CD 160) par rapport aux cellules Τ CD4 et ceci dépend de leur stade de différenciation et d'activation. En particulier, CD 160 semble être un marqueur clé d'épuisement cellulaire des cellules Τ CD8, et donc une nouvelle cible potentielle pour l'immunothérapie, car a) son expression réduit la capacité proliférative et la production d'IL-2 b) CD 160 diminue suite à 1'activation et c) le blocage de CD 160 redonne la capacité proliférative aux cellules Τ CD8 spécifiques aux virus. - Le système immunitaire est un ensemble de cellules, tissus et organes indispensables pour limiter l'entrée des pathogènes à travers la peau et les muqueuses. Parmi les différentes cellules composant le système immunitaire, les cellules Τ CD4 et CD8 sont fondamentales pour le contrôle des infections virales et bactériennes. Les moyens pour combattre les différents pathogènes peuvent être cependant très variables. Les cellules Τ CD8, qui sont indispensables pour la lutte contre les virus, peuvent avoir différents niveaux de sensibilité; les cellules qui répondent à de faibles quantités d'antigène ont une forte sensibilité. Suite à une première infection virale, les cellules Τ CD8 ont une sensibilité plus faible que lors d'expositions répétées au même virus. En effet, la réexposition au pathogène induit une augmentation de sensibilité, grâce au recrutement et/ou à l'expansion de cellules Τ dotées d'une sensibilité plus élevée. Les cellules Τ CD8 avec une plus haute sensibilité semblent être caractérisées par une perte de fonctionnalité (épuisement fonctionnel associé à une haute expression de molécules dites inhibitrices). En absence d'infection, la fonction des molécules inhibitrices n'est pas encore clairement définie. Les cellules Τ CD8 montrent un niveau d'expression plus élevé de ces molécules par rapport aux cellules Τ CD4. Ceci dépend de l'état des cellules. Parmi ces molécules, le CD160 est associé à l'incapacité des cellules à proliférer et à produire de l'IL-2, une protéine importante pour la prolifération et la survie cellulaire. L'incapacité des cellules exprimant le CD 160 à proliférer en réponse à des virus peut être restaurée par le blocage fonctionnel du récepteur CD 160. Cette étude étoffe notre connaissance du rôle des cellules Τ CD8 ainsi que des conséquences induites par leur épuisement fonctionnel. Ces informations sont fondamentales pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques et vaccinales.

Interactions médicamenteuses dans le traitement de la douleur

L'association de plusieurs substances est parfois nécessaire pour un traitement efficace de la douleur. L'administration concomitante de plusieurs molécules expose donc, comme lors de tout traitement, au risque d'interactions médicamenteuses. Ces interactions peuvent être souhaitées et recherchées (lorsque l'on vise un effet additif ou une synergie entre plusieurs traitements) ou non désirées, provoquant la survenue d'effets indésirables ou la perte d'efficacité des traitements prescrits . L'importance de ces interactions et leur traduction depend bien sûr des substances concernées mais aussi de la predisposition individuelle de chaque patient, les polymorphisms génétiques dans le metabolism ou le transport de ces médicaments ainsi que lespathologies sous-jacentes y jouant un rôle non négligeable.

Basis set effects on the energy and hardness profiles of the hydrogen fluoride dimer

In earlier work, the present authors have shown that hardness profiles are less dependent on the level of calculation than energy profiles for potential energy surfaces (PESs) having pathological behaviors. At variance with energy profiles, hardness profiles always show the correct number of stationary points. This characteristic has been used to indicate the existence of spurious stationary points on the PESs. In the present work, we apply this methodology to the hydrogen fluoride dimer, a classical difficult case for the density functional theory methods

Microscopic and macroscopic polarization within a combined quantum mechanics and molecular mechanics model

A polarizable quantum mechanics and molecular mechanics model has been extended to account for the difference between the macroscopic electric field and the actual electric field felt by the solute molecule. This enables the calculation of effective microscopic properties which can be related to macroscopic susceptibilities directly comparable with experimental results. By seperating the discrete local field into two distinct contribution we define two different microscopic properties, the so-called solute and effective properties. The solute properties account for the pure solvent effects, i.e., effects even when the macroscopic electric field is zero, and the effective properties account for both the pure solvent effects and the effect from the induced dipoles in the solvent due to the macroscopic electric field. We present results for the linear and nonlinear polarizabilities of water and acetonitrile both in the gas phase and in the liquid phase. For all the properties we find that the pure solvent effect increases the properties whereas the induced electric field decreases the properties. Furthermore, we present results for the refractive index, third-harmonic generation (THG), and electric field induced second-harmonic generation (EFISH) for liquid water and acetonitrile. We find in general good agreement between the calculated and experimental results for the refractive index and the THG susceptibility. For the EFISH susceptibility, however, the difference between experiment and theory is larger since the orientational effect arising from the static electric field is not accurately described

Sensitization of endothelial cells to TNFα-induced death

RESUME L'angiogénèse tumorale est un processus essentiel au développement des tumeurs. Les intégrines, molécules d'adhésions transmembranaires, sont d'importants effecteurs de l'angiogenèse. En permettant l'adhésion à la matrice extra-cellulaire, les intégrines transmettant des signaux de survie, de migration, et de prolifération. Le facteur de nécrose tumorale α (TNFα) est utilisé pour le traitement régional de cancers chez l'homme. II agit en détruisant sélectivement les vaisseaux angiogéniques. Cependant, son administration systémique chez l'homme est limitée par les réactions de vaso-dilatation sévères qu'il provoque. Le but de mon travail fut de rechercher des conditions permettant la sensibilisation des cellules endothéliales au TNFα et qui pourraient être applicables en clinique, ceci afin d'accroître l'efficacité de cette molécule. Nous avons testé la possibilité d'interférer avec les signaux de survie provenant des intégrines. Pour cela, des cellules endothéliales furent cultivées dans des conditions d'adhésion ou en suspension, ou alors exposées dans des conditions d'adhésion au zoledronate (biphosphonate contenant du nitrogène). Dans ces conditions, les effets du TNFα sur les cellules endothéliales furent étudiés, en particulier l'induction de la mort cellulaire. Dans ce travail, nous montrons que le zoledronate sensibilise les cellules endothéliales à la nécrose induite par TNFα. Cet effet s'accompagne de l'inhibition de la phosphorylation de FAK, PKB, et JNK, ainsi que de l'inhibition de la prénylation des protéines. En revanche, l'activation de NF-kB et p38 n'est pas perturbée. La restoration de la prénylation des protéines empêche la mort des HUVEC traitées par zoledronate et TNFα, et rétablit la phosphorylation de FAK, PKB, et JNK. Des essais d'angiogénèse in vivo montrent que le zoledronate inhibe l'angiogénèse induite par FGF-2. Le zoledronate encapsulé dans des liposomes permet de ralentir la croissance tumorale et synergise avec le TNFα en l'inhibant. L'inihibtion de la prénylation des protéines est un des mécanismes de sensibilisation du zoledronate au TNFα. In vivo, la synergie de leur association sur la croissance tumorale est efficace. Ces résultats encouragent la poursuite de l'étude des effets de ces deux drogues sur la croissance tumorale. SUMMARY The formation of tumor-associated vessels is essential for tumor progression. Cell adhesion molecules of the integrin family are important mediators of angiogenesis, by providing adhesive signals necessary for endothelial cell migration, proliferation and survival. Anti-angiogenic therapies are currently considered as highly promising in the treatment of human cancer. Tumor Necrosis Factor α (TNFα) is used for the regional treatment of human cancer, whose mechanisms of action involved selective disruption of angiogenic tumor vessels. Systemic administration of TNFα in humans, however, induces a severe inflammatory condition that prevents its use far the treatments of tumors localized outside of limbs. The aim of my work was to find strategies to sensitize angiogenic endothelial cells to TNFα-induced death, which could be potentially translated into clinical setting to improve the therapeutic efficacy of TNFα. We specifically tested the hypothesis whether interference with integrin-mediated adhesion and signaling may sensitize endothelial cells to TNFα-induced death. To test this hypothesis we cultured endothelial cells (EC) under conditions of cell-matrix or cell-cell adhesion or exposed matrix-adherent EC to the nitrogen-containing bisphosphonate zoledronate, and characterized the effect on TNFα-mediated signaling events and cell death. We show that zoledronate sensitizes HUVEC to TNFα-induced necrosis-like programmed cell death. This effect was associated with suppression of sustained phosphorylation of PKB and JNK and decreased protein prenylation, whereas TNFα-induced activation of NF-kB and p38 were not inhibited. Restoration of protein prenylation rescued HUVEC from zoledronate and TNFα-induced death, and restored FAK, PKB and JNK phosphorylation. By using in vivo angiogenesis assay we showed that zoledronate suppressed FGF-2-induced angiogenesis. Liposome-encapulated zoledronate partially inhibited tumor growth and synergized with TNFα to fully suppress tumor growth. Taken together, this work has identified protein prenylation as a mechanisms by which zoledronate sensitizes endothelial cells to TNFα-induced death in vitro and provides initial evidence that zoledronate synergizes with TNFα in vivo resulting in improved anti-tumor activity. These results warrant further study of the anti-tumor effects of zoledronate and TNFα and should be further studies in view of their clinical relevance.

Molecular evolution of the Drosophila olfactory system

The olfactory system is an attractive model to study the genetic mechanisms underlying evolution of the nervous system. This sensory system mediates the detection and behavioural responses to an enormous diversity of volatile chemicals in the environment and displays rapid evolution, as species acquire, modify and discard olfactory receptors and circuits to adapt to new olfactory stimuli. Drosophilids provide an attractive model to study these processes. The availability of 12 sequenced genomes of Drosophila species occupying diverse ecological niches provides a rich resource for genomic analyses. Moreover, one of these species, Drosophila melanogaster, is amenable to a powerful combination of genetic and electrophysiological analyses. D. melanogaster has two distinct families of olfactory receptors to detect odours, the well-characterised Odorant Receptors (ORs) and the recently identified lonotropic Receptors (IRs). In my thesis, I have provided new insights into the genetic mechanisms underlying olfactory system evolution through three distinct, but interrelated projects. First, I performed a comparative genomic analysis of the IR repertoire in 12 sequenced Drosophila species, which has revealed that the olfactory IRs are highly conserved across species. By contrast, a large fraction of IRs that are not expressed in the olfactory system - and which may be gustatory receptors - are much more variable in sequence and gene copy number. Second, to identify ligands for IR expressing olfactory sensory neurons, I have performed an electrophysiological screen in D. melanogaster using a panel of over 160 odours. I found that the IRs respond to a number of amines, aldehydes and acids, contrasting with the chemical specificity of the OR repertoire, which is mainly tuned to esters, alcohols and ketones. Finally, the identification of ligands for IRs in this species allowed me to investigate in detail the molecular and functional evolution of a tandem array of IRs, IR75a/IR75b/IR75c, in D. sechellia. This species is endemic to the Seychelles archipelago and highly specialised to breed on the fruits of Morinda citrifolia, which is repulsive and toxic for other Drosophila species. These studies led me to discover that receptor loss, changes in receptor specificity and changes in receptor expression have likely played an important role during the evolution of these IRs in D. sechellia. These changes may explain, in part, the unique chemical ecology of this species. - Le système olfactif est un excellent modèle pour étudier les mécanismes génétiques impliqués dans l'étude de l'évolution du système nerveux. Ce système sensoriel permet la détection de nombreux composés volatils présents dans l'environnement et est à la base des réponses comportementales. Il est propre à chaque espèce et évolue rapidement en modifiant ou en éliminant des récepteurs et leurs circuits olfactifs correspondants pour s'adapter à de nouvelles odeurs. Pour étudier le système olfactif et son évolution, nous avons décidé d'utiliser la drosophile comme modèle. Le séquençage complet de 12 souches de drosophiles habitant différentes niches écologiques permet une analyse génomique conséquente. De plus, l'une de ces espèces Drosophila melanogaster permet la combinaison d'analyses génétiques et électrophysiologiques. En effet, D. melanogaster possède 2 familles distinctes de récepteurs olfactifs qui permettent la détection d'odeurs: les récepteurs olfactifs (ORs) étant les mieux caractérisés et les récepteurs ionotropiques (IRs), plus récemment identifiés. Au cours de ma thèse, j'ai apporté des nouvelles connaissances qui m'ont permis de mieux comprendre les mécanismes génétiques à la base de l'évolution du système olfactif au travers de trois projets différents, mais interdépendants. Premièrement, j'ai réalisé une analyse génomique comparative de l'ensemble des IRs dans les 12 souches de drosophiles séquencées jusqu'à présent. Ceci a montré que les récepteurs olfactifs IRs sont hautement conservés parmi l'ensemble de ces espèces. Au contraire, une grande partie des IRs qui ne sont pas exprimés dans le système olfactif, et qui semblent être des récepteurs gustatifs, sont beaucoup plus variables dans leur séquence et dans le nombre de copie de gènes. Deuxièmement, pour identifier les ligands des récepteurs IRs exprimés par les neurones sensoriels olfactifs, j'ai réalisé une étude électrophysiologique chez D. melanogaster e η testant l'effet de plus de 160 composés chimiques sur les IRs. J'ai trouvé que les IRs répondent à un nombre d'amines, d'aldéhydes et d'acides, contrairement aux récepteurs olfactifs ORs qui eux répondent principalement aux esthers, alcools et cétones. Finalement, l'identification de ligands pour les IRs dans ces espèces m'a permis d'étudier en détail l'évolution fonctionnelle et moléculaire des IR75a/IR75b/IR75c dans D. sechellia. Cette espèce est endémique de l'archipel des Seychelles et se nourrit spécifiquement du fruit Morinda citrifolia qui est répulsif et toxique pour d'autres souches de drosophiles. Ces études m'ont poussé à découvrir que, la perte de IR75a, le changement dans la spécificité de IR75b ainsi que le changement dans l'expression de IR75c ont probablement joué un rôle important dans l'évolution des IRs chez D. sechellia. Ces changements peuvent expliquer, en partie, l'écologie chimique propre à cette espèce. Résumé français large public Le système olfactif permet aux animaux de détecter des milliers de molécules odorantes, les aidant ainsi à trouver de la nourriture, à distinguer si elle est fraîche ou avariée, à trouver des partenaires sexuels, ainsi qu'à éviter les prédateurs. Selon l'environnement et le mode de vie des espèces, le système olfactif doit détecter des odeurs très diverses ; en effet, un moustique qui recherche du sang humain pour se nourrir doit détecter des odeurs bien différentes d'une abeille qui recherche des fleurs. Dans ma thèse, j'ai essayé de comprendre comment les systèmes olfactifs d'une espèce évoluent pour s'adapter aux exigences induites par son environnement. Un très bon modèle pour étudier cela est la drosophile dont les différentes espèces se nichent dans des habitats très divers. Pour ce faire, j'ai étudié les récepteurs olfactifs de différentes espèces de la drosophile. Ces récepteurs sont des protéines qui se lient à des odeurs spécifiques. Lorsqu'ils se lient, ils activent un neurone qui envoie un signal électrique au cerveau. Ce signal est ensuite traité par ce dernier qui indique à la mouche si l'odeur est attractive ou répulsive. J'ai identifié les récepteurs olfactifs de plusieurs espèces de drosophile et étudié s'il y avait des différences entre elles. La plupart des récepteurs sont similaires entre les espèces, cependant dans l'une d'entre elles, certains récepteurs sont différents. Ce fait est particulièrement intéressant car cette espèce de drosophile se nourrit de fruits que les autres espèces n'apprécient pas. Comme nous ne savons pas quels récepteurs se lient à quelles odeurs, j'ai testé un grand nombre de composants odorants. Ceci m'a permis de constater que, effectivement, certains changements produits dans ces récepteurs expliquent pourquoi cette espèce aime particulièrement ces fruits. En outre, mes résultats contribuent à mieux comprendre les changements génétiques qui sont impliqués dans l'évolution du système olfactif.

New insights into the role of microRNAs in pancreatic ß-cell maturation and plasticity

Le diabète est une maladie chronique caractérisée par une élévation du taux de sucre dans le sang aussi appelé « glycémie » reflétant un état pathologique. L'élévation de la glycémie au long cours a des répercussions délétères sur nombreux de nos tissus et organes d'où l'apparition de complications sévères chez les sujets diabétiques pouvant atteindre les yeux, les reins, le système nerveux, le système cardiovasculaire et les membres inférieurs. La carence en une hormone essentielle à notre organisme, l'insuline, est au coeur du développement de la maladie. L'insuline induit la captation du glucose circulant dans le sang en excès suite à une prise alimentaire riche en glucides et favorise son utilisation et éventuellement son stockage dans les tissus tels que le foie, le tissu adipeux et les muscles. Ainsi, l'insuline est vitale pour réguler et maintenir stable notre niveau de glycémie. Les cellules bêta du pancréas sont les seules entités de notre corps capables de produire de l'insuline et une perte de fonctionnalité associée à leur destruction ont été mises en cause dans le processus pathologique du diabète de type 2. Cependant la pleine fonctionnalité et la maturation des cellules bêta n'apparaissent qu'après la naissance lorsque le pancréas en développement a atteint sa masse adulte définitive. Enfin, une fois la masse des cellules bêta définitive établie, leur nombre et volume restent relativement constants au cours de la vie adulte chez un sujet sain. Néanmoins, au cours de périodes critiques les besoins en insuline sont augmentés tel qu'observé chez les femmes enceintes et les personnes obèses qui ont une perte de sensibilité à l'insuline qui se traduit par la nécessité de sécréter plus d'insuline afin de maintenir une glycémie normale. Dans l'hypothèse où la compensation n'a pas lieu ou n'est pas aboutie, le diabète se développe. Le processus de maturation postnatale ainsi que les événements compensatoires sont donc des étapes essentielles et de nombreuses questions sont encore non résolues concernant l'identification des mécanismes les régulant. Parmi les acteurs potentiels figurent de petites molécules d'ARN découvertes récemment appelées microARNs et qui ont été rapidement suggérées très prometteuses dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans le cadre du diabète et d'autres pathologies. Les microARNs vont réguler l'expression de notre génome sans en modifier la séquence, phénomène également appelé épigénétique, ce qui résulte en des différences de comportement et de fonction cellulaires. Les microARNs sont donc susceptibles de jouer un rôle clé dans l'ensemble des processus biologiques et notre environnement associé à nos prédispositions génétiques peuvent grandement modifier leur niveau et donc leur action, qui à son tour se répercutera sur notre état physiologique. En effet nous avons identifié des changements de microARNs dans les cellules d'îlots pancréatiques de modèles animaux (rats et souris) associés à un état de résistance à l'insuline (grossesse et obésité). Par le biais d'expériences in vitro sur des cellules bêta extraites de rats et conservées en culture, nous avons pu analyser de plus près l'implication des microARNs dans la capacité des cellules bêta à sécréter de l'insuline mais aussi à se multiplier et à survivre au sein d'un environnement toxique. Ainsi, nous avons identifié des microARNs qui participent positivement à la compensation des cellules bêta, sous la direction d'hormones telles les estrogènes ou d'une hormone libérée par l'intestin au cours de la digestion (l'inerétine GLP1) et qui est largement utilisée comme agent thérapeutique dans la médication contre le diabète. Dans un second temps nous avons utilisé une stratégie similaire afin de déterminer le rôle de microARNs préalablement détectés comme étant changés au cours du développement postnatal des cellules bêta chez le rat. Cette étude a également mené à l'identification de microARNs participant à la maturation et à l'expansion de la masse des cellules bêta sous l'influence de la composition du régime alimentaire et des besoins en insuline adéquats qui en dépendent. Ces études apportent la vision de nouveaux mécanismes moléculaires impliquant les microARNs et démontrant leur importance pour le bon fonctionnement des cellules bêta et leur capacité d'adaptation à l'environnement. -- Les cellules bêta sont une composante des îlots pancréatiques de Langerhans et sont des cellules hautement différenciées qui ont l'unique capacité de sécréter de l'insuline sous l'influence des nutriments suite à une prise alimentaire. L'insuline facilite l'incorporation de glucose dans ses tissus cibles tels le foie, le tissu adipeux et les muscles. Bien que les besoins en insuline soient relativement constants au cours de la vie d'un individu sain, certaines conditions associées à un état de résistance à l'insuline, telles la grossesse ou l'obésité, requièrent une libération d'insuline majorée. En cas de résistance à l'insuline, une dysfonction des cellules bêta plus ou moins associée à leur mort cellulaire, conduisent à une sécrétion d'insuline insuffisante et au développement d'une hyperglycémie chronique, caractéristique du diabète de type 2. Jusqu'à présent, les mécanismes moléculaires sous- jacents à la compensation des cellules bêta ou encore menant à leur dysfonction restent peu connus. Découverts récemment, les petits ARNs non-codant appelés microARNs (miARNs), suscitent un intérêt grandissant de par leur potentiel thérapeutique pour la prise en charge et le traitement du diabète. Les miARNs sont de puissants régulateurs de l'expression génique qui lient directement le 3'UTR de leurs ARN messagers cibles afin d'inhiber leur traduction ou d'induire leur dégradation, ce qui leur permet de contrôler des fonctions biologiques multiples. Ainsi, nous avons pris pour hypothèse que les miARNs pourraient jouer un rôle essentiel en maintenant la fonction des cellules bêta et des processus compensatoires afin de prévenir le développement du diabète. Lors d'une première étude, une analyse transcriptomique a permis l'identification de miARNs différemment exprimés au sein d'îlots pancréatiques de rattes gestantes. Parmi eux, le miR-338-3p a démontré la capacité de promouvoir la prolifération et la survie des cellules bêta exposées à des acides gras saturés et des cytokines pro-inflammatoires, sans altérer leur propriété sécrétrice d'insuline. Nous avons également identifié deux hormones reconnues pour leurs propriétés bénéfiques pour la physiologie de la cellule bêta, l'estradiol et l'incrétine GLP1, qui régulent les niveaux du miR-338-3p. Ce miARN intègre parfaitement les voies de signalisation de ces deux hormones dépendantes de l'AMP cyclique, afin de contrôler l'expression de nombreux gènes conduisant à son action biologique. Dans un projet ultérieur, notre objectif était de déterminer la contribution de miARNs dans l'acquisition de l'identité fonctionnelle des cellules bêta en période postnatale. En effet, directement après la naissance les cellules bêta sont reconnues pour être encore immatures et incapables de sécréter de l'insuline spécifiquement en réponse à l'élévation de la glycémie. Au contraire, la réponse insulinique induite par les acides aminés ainsi que la biosynthèse d'insuline sont déjà fonctionnelles. Nos recherches ont permis de montrer que les changements de miARNs corrélés avec l'apparition du phénotype sécrétoire en réponse au glucose, sont régis par la composition nutritionnelle du régime alimentaire et des besoins en insuline qui en découlent. En parallèle, le taux de prolifération des cellules bêta est considérablement réduit. Les miARNs que nous avons étudiés coordonnent des changements d'expression de gènes clés impliqués dans l'acquisition de propriétés vitales de la cellule bêta et dans la maintenancé de son identité propre. Enfin, ces études ont permis de clairement démontrer l'importance des miARNs dans la régulation de la fonction des cellules bêta pancréatiques. -- Beta-cells are highly differentiated cells localized in the pancreatic islets and are characterized by the unique property of secreting insulin in response to nutrient stimulation after meal intake. Insulin is then in charge of facilitating glucose uptake by insulin target tissues such as liver, adipose tissue and muscles. Despite insulin needs stay more or less constant throughout life of healthy individuals, there are circumstances such as during pregnancy or obesity which are associated to insulin resistance, where insulin needs are increased. In this context, defects in beta-cell function, sometimes associated with beta-cell loss, may result in the release of inappropriate amounts of insulin leading to chronic hyperglycemia, properly defined as type 2 diabetes mellitus. So far, the mechanisms underlying beta- cell compensation as well as beta-cell failure remain to be established. The recently discovered small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) are emerging as interesting therapeutic targets and are bringing new hope for the treatment of diabetes. miRNAs display a massive potential in regulating gene expression by directly binding to the 3'UTR of messenger RNAs and by inhibiting their translation and/or stability, enabling them to modify a wide range of biological functions. In view of this, we hypothesized that miRNAs may play an essential role in preserving the functional beta-cell mass and permitting to fight against beta-cell exhaustion and decompensation that can lead to diabetes development. In a first study, global profiling in pancreatic islets of pregnant rats, a model of insulin resistance, led to the identification of a set of differentially expressed miRNAs. Among them, miR-338- 3p was found to promote beta-cell proliferation and survival upon exposure of islet cells to pro- apoptotic stimuli such as saturated fatty acids or pro-inflammatory cytokines, without impairment in their capacity to release insulin. We also discovered that miR-338-3p changes are driven by two hormones, the estradiol and the incretin GLP1, both well known for their beneficial impact on beta- cell physiology. Consistently, we found that miR-338-3p integrates the cAMP-dependent signaling pathways regulated by these two hormones in order to control the expression of numerous genes and execute its biological functions. In a second project, we aimed at determining whether miRNAs contribute to the acquisition of beta-cell identity. Indeed, we confirmed that right after birth beta-cells are still immature and are unable to secrete insulin specifically in response to elevated concentrations of glucose. In contrast, amino acid-stimulated insulin release as well as insulin biosynthesis are already fully functional. In parallel, newborn beta-cells are proliferating intensively within the expanding pancreas. Interestingly, we demonstrated that the miRNA changes and the subsequent acquisition of glucose responsiveness is influenced by the diet composition and the resulting insulin needs. At the same time, beta-cell proliferation declines. The miRNAs that we have identified orchestrate expression changes of essential genes involved in the acquisition of specific beta-cell properties and in the maintenance of a mature beta-cell identity. Altogether, these studies clearly demonstrate that miRNAs play important roles in the regulation of beta-cell function.

Analysis of viral- and tumor antigen-specific CD4 T cell responses in healthy donors and melanoma patients

Résumé Des tentatives pour développer des traitements anti-cancéreux basés sur l'utilisation d'antigènes tumoraux ont commencé il y a plus de 10 ans. Depuis quelques années, un certain intérêt s'est portée sur une sous-population particulière des cellules du système immunitaire, les lymphocytes T CD4. Ces cellules jouent un rôle central dans les réponses immunitaires tant contre les virus que contre les cellules tumorales. Comme d'autres lymphocytes T, ces cellules sont activées de manière spécifique en reconnaissant un morceau d'antigène, appelé peptide. Ces peptides proviennent soit de protéines des cellules de l'hôte, soit des protéines étrangères (virus ou bactéries) soit de cellules transformées (cellules tumorales) et sont présentés aux lymphocytes T par des molécules du soi appelées CMH (complexe majeur d'histocompatibilité). Dans le cas des lymphocytes T CD4, ces molécules sont plus précisément des molécules du CMH de classe II (CMH II). Mis à part l'intérêt porté aux réponses médiées par les lymphocytes T cytotoxiques, un intérêt croissant pour les lymphocytes T CD4 s'est développé à cause de la place centrale qu'occupent ces cellules dans les réponses immunitaires. L'identification d'épitopes présentés par des molécules du CMH de classe II dérivés d'un grand nombre d'antigènes tumoraux, ainsi que le développement de techniques permettant de suivre les réponses immunitaires, offre des opportunités pour étudier de manière quantitative et qualitative les lymphocytes T CD4 spécifiques pour un antigène particulier chez des patients cancéreux. De plus, ces épitopes permettent d'induire des réponses médiées par les lymphocytes T CD4 et CD8 chez ces mêmes patients. Dans ce travail, notre premier but était de valider l'utilisation de multimères formés par des complexes peptide:molécules de CMH de class II (pCMH II) pour quantifier la réponse des cellules T CD4 dirigée contre l'épitope HA307-319 dérivé de la protéine hémaglutinine du virus de la grippe et présenté par HLA-DRB1*0401. En analysant des échantillons provenant de volontaires sains ayant reçus un vaccin contre la grippe, nous avons pu démontrer une expansion et une activation transitoires des lymphocytes T CD4 spécifiques pour le peptide HA307-319 après vaccination. De plus, les multimères pCMH II nous ont permis d'analyser plus en détails hétérogénéité des cellules T CD4 spécifiques pour le peptide HA307-319 présents dans le sang périphérique d'individus sains. Par la suite, notre but a été d'analyser les réponses des lymphocytes T CD4 spécifiques pour l'antigène Melan-A chez des patients atteints de mélanome métastatique. Nous avons tout d'abord démontré la présence de cellules T CD4 spécifiques pour l'épitope Melan-A51-73, présenté par HLA-DRBl*0401, qui avait déjà été préalablement décrit. Ensuite, nous avons décrit et caractérisé 2 nouveaux peptides issus de Melan-A qui sont présentés aux cellules T CD4 par différentes molécules du CMH de clans II. Des cellules spécifiques pour ces deux épitopes ont été trouvées chez 9/ 16 patients analysés. De plus, des multimères pCMH II chargés avec un des épitopes nous ont permis de détecter ex vivo des lymphocytes T CD4 spécifiques pour Melan-A dans le sang périphérique d'un patient atteint de mélanome. Mis ensemble, tous ces résultats suggèrent une potentielle utilisation des multimères pCMH II pour analyser en détail les lymphocytes T CD4 spécifiques d'antigènes définis. Cependant, le suivi ex vivo de telles cellules ne semble être possible que dans des cas bien particuliers. Néanmoins, les nouveaux épitopes issus de Melan-A et présentés par des molécules du CMH de classe II que nous avons décrits dans cette étude aideront à étudier plus en détails les lymphocytes T CD4 spécifiques pour Melan-A chez des patients atteints de mélanome, un sujet d'étude sur lequel peu de résultats sont à ce jour disponibles. Summary Attempts to develop cancer vaccines based on molecularly defined tumorassociated antigens were initiated more than 10 years ago. Apart from CTLmediated anti-tumor immunity, interests are. now focused on CD4 T cells that are central players of immune responses. The identification of MHC class-II-restricted epitopes from numerous tumor antigens together with the development of monitoring tools offers the opportunity to quantitatively and qualitatively study antigen-specific CD4 T lymphocytes in cancer patients and to induce both CTL and T helper responses in cancer patients. In this work, we first aimed at validating the use of peptide:MHC class II complex (pMHC II) multimers to quantitate the CD4 T cell response against the hemagglutinin-derived epitope HAso~-si9 from influenza virus presented by HLA-DRBl*0401. By analysing samples from healthy volunteers vaccinated with ananti-influenza vaccine, we could demonstrate a transient expansion and activation of HA-specific CD4 T cells after treatment. Moreover, pMHC II multimers helped us to study the heterogeneity of HAspecific CD4 T cells found in peripheral blood of healthy individuals. Then, we aimed to analyse Melan-A-specific CD4 T cell responses in metastatic melanoma patients. We first demonstrated the presence of CD4 T cells specific for the previously described Melan-A51_73 epitope presented by HLA-DRB 1 *0401 in peripheral blood of those patients. Second, we described and characterised 2 new Melan-A-derived peptides that are presented by different MHC II molecules to CD4 T cells. Specific cells for these epitopes were found in 9/ 16 rnelánoma patients analysed. In addition, pMHC II multimers loaded with one of the two epitopes allowed us to detect ex vivo Melan-A-specific CD4 T cells in peripheral blood of a melanoma patient. Together, these results suggest a potential use of pMHC II multimers in analysing in detail antigen-specific CD4 T cells. However, ex vivo monitoring of such cells will be possible only in particular conditions. Nevertheless, the new Melan-A-derived MHC II-restricted epitopes described here will help to study in more detail Melan-A-specific CD4 T cells in melanoma patients, a field where only scarce data are available.

A cell therapy approach for erythropoietin delivery using encapsulated human primary fibroblasts

Summary Cell therapy has emerged as a strategy for the treatment of various human diseases. Cells can be transplanted considering their morphological and functional properties to restore a tissue damage, as represented by blood transfusion, bone marrow or pancreatic islet cells transplantation. With the advent of the gene therapy, cells also were used as biological supports for the production of therapeutic molecules that can act either locally or at distance. This strategy represents the basis of ex vivo gene therapy characterized by the removal of cells from an organism, their genetic modification and their implantation into the same or another individual in a physiologically suitable location. The tissue or biological function damage dictates the type of cells chosen for implantation and the required function of the implanted cells. The general aim of this work was to develop an ex vivo gene therapy approach for the secretion of erythropoietin (Epo) in patients suffering from Epo-responsive anemia, thus extending to humans, studies previously performed with mouse cells transplanted in mice and rats. Considering the potential clinical application, allogeneic primary human cells were chosen for practical and safety reasons. In contrast to autologous cells, the use of allogeneic cells allows to characterize a cell lineage that can be further transplanted in many individuals. Furthermore allogeneic cells avoid the potential risk of zoonosis encountered with xenogeneic cells. Accordingly, the immune reaction against this allogeneic source was prevented by cell macro- encapsulation that prevents cell-to-cell contact with the host immune system and allows to easy retrieve the implanted device. The first step consisted in testing the survival of various human primary cells that were encapsulated and implanted for one month in the subcutaneous tissue of immunocompetent and naturally or therapeutically immunodepressed mice, assuming that xenogeneic applications constitute a stringent and representative screening before human transplantation. A fibroblast lineage from the foreskin of a young donor, DARC 3.1 cells, showed the highest mean survival score. We have then performed studies to optimize the manufacturing procedures of the encapsulation device for successful engraftment. The development of calcifications on the polyvinyl alcohol (PVA) matrix serving as a scaffold for enclosed cells into the hollow fiber devices was reported after one month in vivo. Various parameters, including matrix rinsing solutions, batches of PVA and cell lineages were assessed for their respective role in the development of the phenomenon. We observed that the calcifications could be totally prevented by using ultra-pure sterile water instead of phosphate buffer saline solution in the rinsing procedure of the PVA matrix. Moreover, a higher lactate dehydrogenase activity of the cells was found to decrease calcium depositions due to more acidic microenvironment, inhibiting the calcium precipitation. After the selection of the appropriate cell lineage and the optimization of encapsulation conditions, a retroviral-based approach was applied to DARC 3.1 fibroblasts for the transduction of the human Epo cDNA. Various modifications of the retroviral vector and the infection conditions were performed to obtain clinically relevant levels of human Epo. The insertion of a post-transcriptional regulatory element from the woodchuck hepatitis virus as well as of a Kozak consensus sequence led to a 7.5-fold increase in transgene expression. Human Epo production was further optimized by increasing the multiplicity of infection and by selecting high producer cells allowing to reach 200 IU hEpo/10E6 cells /day. These modified cells were encapsulated and implanted in vivo in the same conditions as previously described. All the mouse strains showed a sustained increase in their hematocrit and a high proportion of viable cells were observed after retrieval of the capsules. Finally, in the perspective of human application, a syngeneic model using encapsulated murine myoblasts transplanted in mice was realized to investigate the roles of both the host immune response and the cells metabolic requirements. Various loading densities and anti-inflammatory as well as immunosuppressive drugs were studied. The results showed that an immune process is responsible of cell death in capsules loaded at high cell density. A supporting matrix of PVA was shown to limit the cell density and to avoid early metabolic cell death, preventing therefore the immune reaction. This study has led to the development of encapsulated cells of human origin producing clinically relevant amounts of human EPO. This work resulted also to the optimization of cell encapsulation technical parameters allowing to begin a clinical application in end-stage renal failure patients. Résumé La thérapie cellulaire s'est imposée comme une stratégie de traitement potentiel pour diverses maladies. Si l'on considère leur morphologie et leur fonction, les cellules peuvent être transplantées dans le but de remplacer une perte tissulaire comme c'est le cas pour les transfusions sanguines ou les greffes de moelle osseuse ou de cellules pancréatiques. Avec le développement de la thérapie génique, les cellules sont également devenues des supports biologiques pour la production de molécules thérapeutiques. Cette stratégie représente le fondement de la thérapie génique ex vivo, caractérisée par le prélèvement de cellules d'un organisme, leur modification génétique et leur implantation dans le même individu ou dans un autre organisme. Le choix du type de cellule et la fonction qu'elle doit remplir pour un traitement spécifique dépend du tissu ou de la fonction biologique atteintes. Le but général de ce travail est de développer .une approche par thérapie génique ex vivo de sécrétion d'érythropoïétine (Epo) chez des patients souffrant d'anémie, prolongeant ainsi des travaux réalisés avec des cellules murines implantées chez des souris et des rats. Dans cette perpective, notre choix s'est porté sur des cellules humaines primaires allogéniques. En effet, contrairement aux cellules autologues, une caractérisation unique de cellules allogéniques peut déboucher sur de nombreuses applications. Par ailleurs, l'emploi de cellules allogéniques permet d'éviter les riques de zoonose que l'on peut rencontrer avec des cellules xénogéniques. Afin de protéger les cellules allogéniques soumises à une réaction immunitaire, leur confinement dans des macro-capsules cylindriques avant leur implantation permet d'éviter leur contact avec les cellules immunitaires de l'hôte, et de les retrouver sans difficulté en cas d'intolérance ou d'effet secondaire. Dans un premier temps, nous avons évalué la survie de différentes lignées cellulaires humaines primaires, une fois encapsulées et implantées dans le tissu sous-cutané de souris, soit immunocompétentes, soit immunodéprimées naturellement ou par l'intermédiaire d'un immunosuppresseur. Ce modèle in vivo correspond à des conditions xénogéniques et représente par conséquent un environnement de loin plus hostile pour les cellules qu'une transplantation allogénique. Une lignée fibroblastique issue du prépuce d'un jeune enfant, nommée DARC 3 .1, a montré une remarquable résistance avec un score de survie moyen le plus élevé parmi les lignées testées. Par la suite, nous nous sommes intéressés aux paramètres intervenant dans la réalisation du système d'implantation afin d'optimaliser les conditions pour une meilleure adaptation des cellules à ce nouvel environnement. En effet, en raison de l'apparition, après un mois in vivo, de calcifications au niveau de la matrice de polyvinyl alcohol (PVA) servant de support aux cellules encapsulées, différents paramètres ont été étudiés, tels que les procédures de fabrication, les lots de PVA ou encore les lignées cellulaires encapsulées, afin de mettre en évidence leur rôle respectif dans la survenue de ce processus. Nous avons montré que l'apparition des calcifications peut être totalement prévenue par l'utilisation d'eau pure au lieu de tampon phosphaté lors du rinçage des matrices de PVA. De plus, nous avons observe qu'un taux de lactate déshydrogénase cellulaire élevé était corrélé avec une diminution des dépôts de calcium au sein de la matrice en raison d'un micro-environnement plus acide inhibant la précipitation du calcium. Après sélection de la lignée cellulaire appropriée et de l'optimisation des conditions d'encapsulation, une modification génétique des fibroblastes DARC 3.1 a été réalisée par une approche rétrovirale, permettant l'insertion de l'ADN du gène de l'Epo dans le génome cellulaire. Diverses modifications, tant au niveau génétique qu'au niveau des conditions d'infection, ont été entreprises afin d'obtenir des taux de sécrétion d'Epo cliniquement appropriés. L'insertion dans la séquence d'ADN d'un élément de régulation post¬transcriptionnelle dérivé du virus de l'hépatite du rongeur (« woodchuck ») ainsi que d'une séquence consensus appelée « Kozak » ont abouti à une augmentation de sécrétion d'Epo 7.5 fois plus importante. De même, l'optimisation de la multiplicité d'infection et la sélection plus drastique des cellules hautement productrices ont permis finalement d'obtenir une sécrétion correspondant à 200 IU d'Epo/10E6 cells/jour. Ces cellules génétiquement modifiées ont été encapsulées et implantées in vivo dans les mêmes conditions que celles décrites plus haut. Toutes les souris transplantées ont montré une augmentation significative de leur hématocrite et une proportion importante de cellules présentait une survie conservée au moment de l'explantation des capsules. Finalement, dans la perspective d'une application humaine, un modèle syngénique a été proposé, basé sur l'implantation de myoblastes murins encapsulés dans des souris, afin d'investiguer les rôles respectifs de la réponse immunitaire du receveur et des besoins métaboliques cellulaires sur leur survie à long terme. Les cellules ont été encapsulées à différentes densités et les animaux transplantés se sont vus administrer des injections de molécules anti-inflammatoires ou immunosuppressives. Les résultats ont démontré qu'une réaction immunologique péri-capsulaire était à la base du rejet cellulaire dans le cas de capsules à haute densité cellulaire. Une matrice de PVA peut limiter cette densité et éviter une mort cellulaire précoce due à une insuffisance métabolique et par conséquent prévenir la réaction immunitaire. Ce travail a permis le développement de cellules encapsulées d'origine humaine sécrétant des taux d'Epo humaine adaptés à des traitements cliniques. De pair avec l'optimalisation des paramètres d'encapsulation, ces résultats ont abouti à l'initiation d'une application clinique destinée à des patients en insuffisance rénale terminale.