Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Selective accumulation of virus-specific CD8+ T cells within the peripheral blood stem cell compartment

The absence of cellular immunity is central to the pathogenesis of herpesvirus-mediated diseases after allogeneic hemopoietic stem cell transplantation (HSCT). For both bone marrow (BM)– and granulocyte-colony stimulating factor–mobilized peripheral blood stem cells (PBSCs) HSCT, donor-derived Epstein-Barr virus (EBV) and cytomegalovirus (CMV) peptide–specific CD8+ T cells clones undergo early expansion and persist long-term, with additional diversification arising from novel antigen-specific clones from donor-derived progenitors. Whether BM or PBSC is the superior source of antiviral CD8+ T cells is unclear. Given that PBSC has largely replaced BM as a source of stem cells for HSCT, it is unlikely that herpesvirus effector T-cell reconstitution will ever be compared prospectively. PBSC grafts contain 10 to 30 times more T cells than BM and a randomized study found proven viral infections were more frequent in BM than PBSC recipients, suggesting viral-specific T-cell immunity is enhanced in PBSC. Recently Moss showed in lung cancer patients that herpesvirus-specific BM-derived CD8+ T cells have unique homing properties relative to herpesvirus-specific CD8+ T cells present in unmobilized peripheral blood (PB). Immunodominant EBV-lytic peptide–specific CD8+ T cells were enriched in BM but were reduced for CMV peptide–specific CD8+ T cells relative to PB. EBV-latent peptide–specific CD8+ T cells were equivalent, which has relevance in the context of posttransplantation lymphoproliferative disorder for which impaired EBV-latent CD8+ T-cell immunity is a risk-factor. A comparison of herpesvirus-specific cellular immunity in PBSC versus PB has yet to be performed.

Insulin-like growth factor-i : vitronectin complex-induced changes in gene expression effect breast cell survival and migration

Recent studies have demonstrated that IGF-I associates with VN through IGF-binding proteins (IGFBP) which in turn modulate IGF-stimulated biological functions such as cell proliferation, attachment and migration. Since IGFs play important roles in transformation and progression of breast tumours, we aimed to describe the effects of IGF-I:IGFBP:VN complexes on breast cell function and to dissect mechanisms underlying these responses. In this study we demonstrate that substrate-bound IGF-I:IGFBP:VN complexes are potent stimulators of MCF-7 breast cell survival, which is mediated by a transient activation of ERK/MAPK and sustained activation of PI3-K/AKT pathways. Furthermore, use of pharmacological inhibitors of the MAPK and PI3-K pathways confirms that both pathways are involved in IGF-I:IGFBP:VN complex-mediated increased cell survival. Microarray analysis of cells stimulated to migrate in response to IGF-I:IGFBP:VN complexes identified differential expression of genes with previously reported roles in migration, invasion and survival (Ephrin-B2, Sharp-2, Tissue-factor, Stratifin, PAI-1, IRS-1). These changes were not detected when the IGF-I analogue (\[L24]\[A31]-IGF-I), which fails to bind to the IGF-I receptor, was substituted; confirming the IGF-I-dependent differential expression of genes associated with enhanced cell migration. Taken together, these studies have established that IGF-I:IGFBP:VN complexes enhance breast cell migration and survival, processes central to facilitating metastasis. This study highlights the interdependence of ECM and growth factor interactions in biological functions critical for metastasis and identifies potential novel therapeutic targets directed at preventing breast cancer progression.

Biaxial cell stimulation : a mechanical validation

To analyse mechanotransduction resulting from tensile loading under defined conditions, various devices for in vitro cell stimulation have been developed. This work aimed to determine the strain distribution on the membrane of a commercially available device and its consistency with rising cycle numbers, as well as the amount of strain transferred to adherent cells. The strains and their behaviour within the stimulation device were determined using digital image correlation (DIC). The strain transferred to cells was measured on eGFP-transfected bone marrow-derived cells imaged with a fluorescence microscope. The analysis was performed by determining the coordinates of prominent positions on the cells, calculating vectors between the coordinates and their length changes with increasing applied tensile strain. The stimulation device was found to apply homogeneous (mean of standard deviations approx. 2% of mean strain) and reproducible strains in the central well area. However, on average, only half of the applied strain was transferred to the bone marrow-derived cells. Furthermore, the strain measured within the device increased significantly with an increasing number of cycles while the membrane's Young's modulus decreased, indicating permanent changes in the material during extended use. Thus, strain magnitudes do not match the system readout and results require careful interpretation, especially at high cycle numbers.

Long term survival following the detection of circulating tumour cells in head and neck squamous cell carcinoma

Background Techniques for detecting circulating tumor cells in the peripheral blood of patients with head and neck cancers may identify individuals likely to benefit from early systemic treatment. Methods Reconstruction experiments were used to optimise immunomagnetic enrichment and RT-PCR detection of circulating tumor cells using four markers (ELF3, CK19, EGFR and EphB4). This method was then tested in a pilot study using samples from 16 patients with advanced head and neck carcinomas. Results Seven patients were positive for circulating tumour cells both prior to and after surgery, 4 patients were positive prior to but not after surgery, 3 patients were positive after but not prior to surgery and 2 patients were negative. Two patients tested positive for circulating cells but there was no other evidence of tumor spread. Given this patient cohort had mostly advanced disease, as expected the detection of circulating tumour cells was not associated with significant differences in overall or disease free survival. Conclusion For the first time, we show that almost all patients with advanced head and neck cancers have circulating cells at the time of surgery. The clinical application of techniques for detection of spreading disease, such as the immunomagnetic enrichment RT-PCR analysis used in this study, should be explored further.

Intrinsically photosensitive melanopsin retinal ganglion cell contributions to the post-illumination pupil response and circadian rhythm

Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs) in the eye transmit the environmental light level, projecting to the suprachiasmatic nucleus (SCN) (Berson, Dunn & Takao, 2002; Hattar, Liao, Takao, Berson & Yau, 2002), the location of the circadian biological clock, and the olivary pretectal nucleus (OPN) of the pretectum, the start of the pupil reflex pathway (Hattar, Liao, Takao, Berson & Yau, 2002; Dacey, Liao, Peterson, Robinson, Smith, Pokorny, Yau & Gamlin, 2005). The SCN synchronizes the circadian rhythm, a cycle of biological processes coordinated to the solar day, and drives the sleep/wake cycle by controlling the release of melatonin from the pineal gland (Claustrat, Brun & Chazot, 2005). Encoded photic input from ipRGCs to the OPN also contributes to the pupil light reflex (PLR), the constriction and recovery of the pupil in response to light. IpRGCs control the post-illumination component of the PLR, the partial pupil constriction maintained for > 30 sec after a stimulus offset (Gamlin, McDougal, Pokorny, Smith, Yau & Dacey, 2007; Kankipati, Girkin & Gamlin, 2010; Markwell, Feigl & Zele, 2010). It is unknown if intrinsic ipRGC and cone-mediated inputs to ipRGCs show circadian variation in their photon-counting activity under constant illumination. If ipRGCs demonstrate circadian variation of the pupil response under constant illumination in vivo, when in vitro ipRGC activity does not (Weng, Wong & Berson, 2009), this would support central control of the ipRGC circadian activity. A preliminary experiment was conducted to determine the spectral sensitivity of the ipRGC post-illumination pupil response under the experimental conditions, confirming the successful isolation of the ipRGC response (Gamlin, et al., 2007) for the circadian experiment. In this main experiment, we demonstrate that ipRGC photon-counting activity has a circadian rhythm under constant experimental conditions, while direct rod and cone contributions to the PLR do not. Intrinsic ipRGC contributions to the post-illumination pupil response decreased 2:46 h prior to melatonin onset for our group model, with the peak ipRGC attenuation occurring 1:25 h after melatonin onset. Our results suggest a centrally controlled evening decrease in ipRGC activity, independent of environmental light, which is temporally synchronized (demonstrates a temporal phase-advanced relationship) to the SCN mediated release of melatonin. In the future the ipRGC post-illumination pupil response could be developed as a fast, non-invasive measure of circadian rhythm. This study establishes a basis for future investigation of cortical feedback mechanisms that modulate ipRGC activity.

p53 prevents progression of nevi to melanoma predominantly through cell cycle regulation

p53 is the central member of a critical tumor suppressor pathway in virtually all tumor types, where it is silenced mainly by missense mutations. In melanoma, p53 predominantly remains wild type, thus its role has been neglected. To study the effect of p53 on melanocyte function and melanomagenesis, we crossed the 'high-p53'Mdm4+/- mouse to the well-established TP-ras0/+ murine melanoma progression model. After treatment with the carcinogen dimethylbenzanthracene (DMBA), TP-ras0/+ mice on the Mdm4+/- background developed fewer tumors with a delay in the age of onset of melanomas compared to TP-ras0/+ mice. Furthermore, we observed a dramatic decrease in tumor growth, lack of metastasis with increased survival of TP-ras0/+: Mdm4+/- mice. Thus, p53 effectively prevented the conversion of small benign tumors to malignant and metastatic melanoma. p53 activation in cultured primary melanocyte and melanoma cell lines using Nutlin-3, a specific Mdm2 antagonist, supported these findings. Moreover, global gene expression and network analysis of Nutlin-3-treated primary human melanocytes indicated that cell cycle regulation through the p21WAF1/CIP1 signaling network may be the key anti-melanomagenic activity of p53.

Conceptualisation of articular cartilage as a giant reverse micelle: A hypothetical mechanism for joint biocushioning and lubrication

Phospholipid (PL) molecules form the main structure of the membrane that prevents the direct contact of opposing articular cartilage layers. In this paper we conceptualise articular cartilage as a giant reverse micelle (GRM) in which the highly hydrated three-dimensional network of phospholipids is electrically charged and able to resist compressive forces during joint movement, and hence loading. Using this hypothetical base, we describe a hydrophilic-hydrophilic (HL-HL) biopair model of joint lubrication by contacting cartilages, whose mechanism is reliant on lamellar cushioning. To demonstrate the viability of our concept, the electrokinetic properties of the membranous layer on the articular surface were determined by measuring via microelectrophoresis, the adsorption of ions H, OH, Na and Cl on phospholipid membrane of liposomes, leading to the calculation of the effective surface charge density. The surface charge density was found to be -0.08 ± 0.002 cm-2 (mean ± S.D.) for phospholipid membranes, in 0.155 M NaCl solution and physiological pH. This value was approximately five times less than that measured in 0.01 M NaCl. The addition of synovial fluid (SF) to the 0.155 M NaCl solution reduced the surface charge density by 30% which was attributed to the binding of synovial fluid macromolecules to the phospholipid membrane. Our experiments show that particles charge and interact strongly with the polar core of RM. We demonstrate that particles can have strong electrostatic interactions when ions and macromolecules are solubilized by reverse micelle (RM). Since ions are solubilized by reverse micelle, the surface entropy influences the change in the charge density of the phospholipid membrane on cartilage surfaces. Reverse micelles stabilize ions maintaining equilibrium, their surface charges contribute to the stability of particles, while providing additional screening for electrostatic processes. © 2008 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Use of the piggyBac transposon to create HIV-1 gag transgenic insect cell lines for continuous VLP production

Background Insect baculovirus-produced Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) Gag virus-like-particles (VLPs) stimulate good humoral and cell-mediated immune responses in animals and are thought to be suitable as a vaccine candidate. Drawbacks to this production system include contamination of VLP preparations with baculovirus and the necessity for routine maintenance of infectious baculovirus stock. We used piggyBac transposition as a novel method to create transgenic insect cell lines for continuous VLP production as an alternative to the baculovirus system. Results Transgenic cell lines maintained stable gag transgene integration and expression up to 100 cell passages, and although the level of VLPs produced was low compared to baculovirus-produced VLPs, they appeared similar in size and morphology to baculovirus-expressed VLPs. In a murine immunogenicity study, whereas baculovirus-produced VLPs elicited good CD4 immune responses in mice when used to boost a prime with a DNA vaccine, no boost response was elicited by transgenically produced VLPs. Conclusion Transgenic insect cells are stable and can produce HIV Pr55 Gag VLPs for over 100 passages: this novel result may simplify strategies aimed at making protein subunit vaccines for HIV. Immunogenicity of the Gag VLPs in mice was less than that of baculovirus-produced VLPs, which may be due to lack of baculovirus glycoprotein incorporation in the transgenic cell VLPs. Improved yield and immunogenicity of transgenic cell-produced VLPs may be achieved with the addition of further genetic elements into the piggyBac integron.