Intra- and intersexual selection and their potential consequences on fitness-relevant traits in several fish species

Résumé : Les mécanismes de sélection sexuelle, en particulier la compétition entre mâles (sélection inter-sexuelle) et le choix des femelles (sélection intra-sexuelle), peuvent fortement influencer le succès reproducteur d'un individu, c'est-à-dire son nombre de descendants. On observe ainsi que les mâles dominants et les mâles élaborant des caractères sexuels secondaires marqués ont un succès reproducteur élevé. Toutefois, le succès reproducteur ne suffit pas pour garantir une contribution génétique élevée, parce que la fitness dépend également de la performance des descendants (c'est-à-dire de leur survie et de leur propre succès reproducteur). Si cette performance dépend en partie des gènes paternels, les males ont un avantage certain à signaler leur qualité aux femelles afin d'atteindre des taux de reproduction élevé. Ce mécanisme de signalisation est connu sous le nom de 'good genes hypothesis', toutefois très peu d'études ont clairement démontré le lien entre la qualité génétique des individus et la signalisation. De plus, la performance des descendants peut aussi dépendre des effets génétiques de compatibilité entre mâles et femelles ('compatible genes'). C'est-à-dire que certains allèles paternels n'apporteraient un avantage aux descendants qu'en combinaison avec certains allèles maternels. Nous avons déterminé, durant la période de reproduction, le statut de dominance des mâles pour deux espèces de poissons d'eau douce : la truite (Salmo trotta) et le vairon (Phoxinus phoxinus), puis nous avons évalué la relation entre le succès reproducteur et le statut de dominance et/ou la quantité de signalisation des caractères sexuels secondaires. Nous avons également fécondés artificiellement des oeufs de truites et de corégones (Coregonus palaea), en croisant chaque mâle avec chaque femelle (full-factorial breeding design). Ce type de design autorise la quantification précise des effets génétiques et permet de séparer les effets de 'good genes' et de 'compatible genes'. Cela a été fait sous différentes intensités de stress bactérien, ainsi que dans des conditions naturelles, et nous avons pu ainsi tester si certains indicateurs de qualité génétique des mâles ('good genes') étaient liés a) à la dominance et/ou b) à l'expression des caractères sexuels secondaires des mâles comme l'intensité mélanique ou la taille des tubercules sexuels. En outre, nous cherchons à savoir si la survie des descendants est liée à certaines combinaison des gènes du complexe d'histocompatibilité majeur (MHC) et/ou à la parenté génétique des parents, les deux traits étant soupçonnés d'avoir des influences génétique de compatibilité (`compatible genes') à la performance des descendants. Nous avons constaté que la dominance des mâles est directement liée à la taille et au poids des mâles (truites, vairons), mais également aux caractères sexuels secondaires (tubercules). De plus, les mâles vairons dominant ont eu un succès de fécondation plus élevés que les mâles subordonnés. Nous montrons que les truites et corégones mâles diffèrent dans leur qualité génétique, qui a été mesurée avéc la survie embryonnaire, le temps avant l'éclosion et enfin la croissance juvénile. Contrairement aux prédictions, la dominance (ou les traits indicatifs de dominance) n'était liée à la qualité génétique, dans aucun des traitements, et ne fonctionne donc pas comme indicateur de qualité. Par contre, la qualité génétique était liée aux caractères sexuels secondaires, particulièrement par la teinte mélanique chez les truites. Les embryons de truites issus de pères sombres survivaient mieux que ceux issus de pères clairs dans des environnements difficiles, de plus leur croissance était plus élevée lors de leur première année dans des conditions naturelles. La taille des juvéniles lors de leur première année est un trait important lié au succès dans la compétition pour des ressources telles qu'abri ou nourriture. De plus, les femelles truites peuvent augmenter la survie de leurs descendants en choisissant des mâles selon leur type de MHC ou selon leur degré de parenté. En outre, chez les corégones, la morphologie des tubercules sexuels ne semble pas signaler la qualité génétique. Nous avons également remarqué que l'exposition à des pathogènes non-létaux pouvait influencer la performance des alevins à court et long terme, probablement en affaiblissant leur système immunitaire. Cette thèse montre que les mâles diffèrent dans leur qualité génétique et que différents mécanismes de sélection inter- ou intra-sexuelle (par exemple la préférence pour des mâles sombres, pour des génotypes MHC ou pour des couples avec degré de parenté basse) pouvait avoir un effet positif sur la qualité des descendants, bien que cet effet génétique pouvait changer au cours du temps et entre différents environnements. Contrairement à nos attentes, le résultat de la compétition intra-sexuelle (la hiérarchie de dominance entre mâles) n'était pas lié à la qualité génétique individuelle ('good genes'). Dans ce sens, ce travail permet également de contribuer à l'explication du fait que la sélection sexuelle, de par sa forte sélection directionnelle, ne conduit pas à la diminution de la variance génétique, mais plutôt à la maintenance du polymorphisme génétique. Summary : Sexual selection mechanisms, especially male-male competition (inteasexual selection) and female mate choice (inteasexual selection), can strongly influence individual mating success, often resulting in dominant males and males with elaborate secondary sexual characters having higher fertilisation success. However, siring a high number of offspring alone does not guarantee high individual fitness, as fitness does also strongly depend on offspring performance (i.e. survival, fecundity). If this superiority in offspring performance depends on paternally inherited genes, the fathers are expected to signal this potential indirect benefit to females in order to attain high mating rates. This mechanism is also known as the 'good genes' hypothesis of sexual selection but until now most studies failed to conclusively show the relation of an individual genetic quality and its potential signalling traits. Further, offspring performance could also depend on compatible gene effects. These are alleles that increase offspring performance only in combination with other specific alleles. We first determined male dominance status from intrasexual competition during mating season for brown trout (Salmo trutta) and European minnows (Phoxinus phoxinus). For minnows we additionally checked if dominance and/or secondary sexual traits were linked to fertilisation success. Further, we artificially fertilised brown trout and alpine whitefish (Coregonus palaea) eggs, following full factorial breeding designs, enabling to properly measure `good gene' and `compatible gene' effects on offspring performance. This was done under different intensities of natural stressors, as well as under natural conditions. This procedure allowed us to test if the obtained male genetic quality measures (good genes effects) were indicated by a) dominance or lay traits linked to dominance and/or by b) secondary sexual characteristics such as melanin-based male skin darkness or breeding tubercles. Further, we investigated if offspring survival was linked to the MHC (major histocompatibility complex) gene combinations and/or to the parental genetic relatedness, as both traits were shown to have 'compatible gene' effects that may influence offspring performance. We found that male dominance in intrasexual competition was positively linked to body size, body weight (brown trout, minnows) but also to elaborate secondary sexual characteristics (breeding tubercles in minnows). Further, dominant minnow males did have an increased fertilisation success compared to subordinate ones. We show that brown trout and whitefish males do usually differ in their genetic quality, which was measured as embryo survival, hatching timing and finally as juvenile growth. Contrary to prediction male dominance or dominance indicating traits do not function as a quality signal as they were not linked to genetic quality. This result was constant when measuring genetic quality under different levels of natural stressors and under natural conditions (brown trout). On the other hand genetic quality seemed to be indicated by secondary sexual characteristics, specifically by melanin-based skin darkness in brown trout as brown trout embryos sired by darker fathers had increased survival rates when raised under harsh conditions and. they grew larger as juveniles after one year of growth in a natural stream, which is an important trait influencing success of juveniles in competition for hidings, food and other resources. Furthermore, brown trout females may increase the survival of their embryos when choosing males according to their MHC genotypes or to the general genetic relatedness between themselves and their potential mates. In whitefish on the other hand breeding tubercle morphology did not seem to signal genetic quality. Eventually, we saw that anon-lethal exposure to pathogens might influence short term and long term offspring performance probably by weakening an exposed individual's immune system. This thesis shows that males usually differ in their genetic quality and that different inter- or intrasexual selection mechanisms (e.g. mate selection favouring dark males, preference for MHC genotype combinations or for unrelated mates) may have strong positive effects on genetically dependent offspring performance but that such genetìc effects can change over time and environments. In contrast to our a priori expectations, the outcome of intrasexual selection, namely male dominance hierarchies, with dominant males often having high fertilisation success, was not linked to individual genetic quality (`good genes'). In this sense the present thesis may also be a helpful contribution to understand why sexual selection does not lead to rapid loss of genetic variation by strong directional selection but could even lead to the maintenance of genetic variation in natural populations.

Melt topology and chemistry during partial melting in contact aureoles : an experimental study and field example

This study was initiated to investigate partial melting within the high-grade metamorphic rocks beneath the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA), in order to understand the melt generation, melt migration, and geometry of initial melt distribution on grain scale during crustal anatexis. The emplacement of the Little Cottonwood stock produced a contact aureole in the pelitic host rocks of the Big Cottonwood formation (BC). Metamorphic isogrades in pelitic rocks range form biotite to 2nd sillimanite grade as a function of distance from the contact. Migmatites are restricted to the highest grade and resulted form partial melting of the BC formation rocks. First melt was produced by a combined muscovite/biotite dehydration reaction in the sillimanite + k-feldspar stability field. Melt extraction from the pelites resulted in restites (magnetite + cordierite + alumosilicate ± biotite) surrounded by feldspar enriched quartzite zones. This texture is the result of gradual infiltration of partial melts into the quartzite. Larger, discrete melt accumulation occurred in extensional or transpressional domains such as boudin necks, veins, and ductile shear zones. Melt composition are Si02- rich, crystallized as pegmatites, and apparently were very mobile. They were able to infiltrate the quartzite pervaisivly. These melts are similar in composition to first melts produced in the hydrothermal partial melt experiments at 2kbar between 700 - 800°C on fine grained high metamorphic rocks (andalusite-cordierited-biotite-zone) of the BC formation. The experimental melts are water rich and in disequilibrium with the melting rock. Initial melt composition is heterogeneous for short run duration, reflective a lack of chemical equilibrium between individual melt pools. Rock core scale heterogeneity decreased with time indicating partial homogenization of melt compositions. A simultaneous shift of melt composition to higher silica content with time was observed. The silica content of the melt increased due to local melt/mineral reactions. Melt textures indicate that reactive melt transport is most efficient along grain boundaries rimmed by dissimilar grains. Melt heterogeneity resulted in chemical potential gradients which are major driving forces for initial melt migration and govern melt distribution during initial melting. An additional subject of the thesis is the crystal size distributions of opaque minerals in a fine-grained, high-grade meta-pelite of the Big Cottonwood which were obtained from 3D X-ray tomography (uCT) and 2D thin section analysis. µCT delivers accurate size distributions within a restricted range (~ a factor of 20 in size in a single 3D image), while the absolute number of crystals is difficult to obtain from these sparsely distributed, small crystals on the basis of 2D images. Crystal size distributions obtained from both methods are otherwise similar. - Ce travail de recherche a été entrepris dans le but d'étudier les processus de fusion partielle dans les roches fortement métamorphiques de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA) et ceci afin de comprendre la génération de liquide de fusion, la migration de ces liquides et la géométrie de la distribution initiale des liquides de fusion à l'échelle du grain durant l'anatexie de la croûte. L'emplacement du petit massif intrusif de Little Cottonwood a produit une auréole de contact dans les roches pélitiques encaissantes appartenant à la Foimation du Big Cottonwood (BC). Les isogrades métamorphiques dans les roches pélitiques varient de l'isograde de la biotite à la deuxième isograde de la sillimanite en fonction de la distance par rapport au massif intrusif. Les migmatites sont restreintes aux zones montrant le plus haut degré métamorphique et résultent de la fusion partielle des roches de la Formation de BC. Le premier liquide de fusion a été produit par la réaction de déshydratation combinée de la muscovite et de la biotite dans le champ de stabilité du feldspath potassique Pt de la sillimanite. L'extraction du liquide de fusion des pélites forme des restites (magnétites + cordiérite + aluminosilicate ± biotite) entourées par des zones de quartzites enrichies en feldspath. Cette texture est le résultat de l'infiltration graduelle du liquide de fusion partielle dans les quartzites. Des accumulations distinctes et plus larges de liquide de fusion ont lieu dans des domaines d'extension ou de transpression tels que les boudins, les veines, et les zones de cisaillement ductile. La composition des liquides de fusion est similaire à celle des liquides pegmatoïdes, et ces liquides sont apparemment très mobiles et capables d'infiltrer les quartzites. Ces liquides de fusion ont la même composition que les premiers liquides produits dans les expériences hydrotheunales de fusion partielle à 2kbar et entre 700-800° C sur les roches finement grenues et hautement métamorphiques (andalousite-cordiérite-biotite zone) de la Formation de BC. Les liquides de fusion obtenus expérimentalement sont riches en eau et sont en déséquilibre avec la roche en fusion. La composition initiale des liquides de fusion est hétérogène pour les expériences de courte durée et reflète l'absence d'équilibre chimique entre les différentes zones d'accumulation des liquides de fusion. L'hétérogénéité à l'échelle du noyau s'estompe avec le temps et témoigne de l'homogénéisation de la composition des liquides de fusion. Par ailleurs, on observe parallèlement un décalage de la composition des liquides vers des compositions plus riches en silice au cours du temps. Le contenu en silice des liquides de fusion évolue vers un liquide pegmatitique en raison des réactions liquides/minéraux. Les textures des liquides de fusion indiquent que le transport des liquides est plus efficace le long des bordures de grains bordés par des grains différents. Aucun changement apparent du volume total n'est visible. L'hétérogénéité des liquides s'accompagne d'un gradient de potentiel chimique qui sert de moteur principal à la migration des liquides et à la distribution des liquides durant la fusion. Un sujet complémentaire de ce travail de thèse réside dans l'étude de la distribution de la taille des cristaux opaques dans les pélites finement grenues et fortement métamorphiques de la Formation de Big Cottonwood. Les distributions de taille ont été obtenues suite à l'analyse d'images 3D acquise par tomographie ainsi que par analyse de lames minces. La microtomographie par rayon X fournit une distribution de taille précise sur une marge restreinte (- un facteur de taille 20 dans une seule image 3D), alors que le nombre absolu de cristaux est difficile à obtenir sur la base d'image 2D en raison de la petite taille et de la faible abondance de ces cristaux. Les distributions de taille obtenues par les deux méthodes sont sinon similaire. Abstact: Chemical differentiation of the primitive Earth was due to melting and separation of melts. Today, melt generation and emplacement is still the dominant process for the growth of the crust. Most granite formation is due to partial melting of the lower crust, followed by transport of magma through the crust to the shallow crust where it is emplaced. Partial melting and melt segregation are essential steps before such a granitic magma can ascent through the crust. The chemistry and physics of partial melting and segregation is complex. Hence detailed studies, in which field observations yield critical information that can be compared to experimental observations, are crucial to the understanding of these fundamental processes that lead and are leading to the chemical stratification of the Earth. The research presented in this thesis is a combined field and experimental study of partial melting of high-grade meta-pelitic rocks of the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA). Contact metamorphic rocks are ideal for textural studies of melt generation, since the relatively short times of the metamorphic event prevents much of the recrystallization which plagues textural studies of lower crustal rocks. The purpose of the study is to characterize melt generation, identify melting reactions, and to constrain melt formation, segregation and migration mechanisms. In parallel an experimental study was undertaken to investigate melt in the high grade meta pelitic rocks, to confirm melt composition, and to compare textures of the partial molten rock cores in the absence of deformation. Results show that a pegmatoidal melt is produced by partial melting of the pelitic rocks. This melt is highly mobile. It is capable of pervasive infiltration of the adjacent quartzite. Infiltration results in rounded quartz grains bordered by a thin feldspar rim. Using computed micro X-ray tomography these melt networks can be imaged. The infiltrated melt leads to rheological weakening and to a decompaction of the solid quartzite. Such decompaction can explain the recent discovery of abundant xenocrysts in many magmas, since it favors the isolation of mineral grains. Pervasive infiltration is apparently strongly influenced by melt viscosity and melt-crystal wetting behavior, both of which depend on the water content of melt and the temperature. In all experiments the first melt is produced on grain boundaries, dominantly by the local minerals. Grain scale heterogeneity of a melting rock leads thus to chemical concentration gradients in the melt, which are the driving force for initial melt migration. Pervasive melt films along grain boundaries leading to an interconnected network are immediately established. The initial chemical heterogeneities in the melt diminish with time. Résumé large public: La différenciation chimique de la Terre primitive est la conséquence de la fusion des roches et de la séparation des liquides qui en résultent. Aujourd'hui, la production de liquide magmatique est toujours le mécanisme dominant pour la croissance de la croûte terrestre. Ainsi la formation de la plupart des granites est un processus qui implique la production de magma par fusion partielle de la croûte inférieure, la migration de ces magmas à travers la croûte et finalement son emplacement dans les niveaux superficielle de la croûte terrestre. Au cours de cette évolution, les processus de fusion partielle et de ségrégation sont des étapes indispensables à l'ascension des granites à travers la croûte. Les conditions physico-chimiques nécessaires à la fusion partielle et à l'extraction de ces liquides sont complexes. C'est pourquoi des études détaillées des processus de fusion partielle sont cruciales pour la compréhension de ces mécanismes fondamentaux responsables de la stratification chimique de la Terre. Parmi ces études, les observations de terrain apportent notamment des informations déterminantes qui peuvent être comparées aux données expérimentales. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse associe études de terrain et données expérimentales sur la fusion partielle des roches pélitiques de haut degré métamorphiques provenant de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA). Les roches du métamorphisme de contact sont idéales pour l'étude de la folination de liquide de fusion. En effet, la durée relativement courte de ce type d'événement métamorphique prévient en grande partie la recristallisation qui perturbe les études de texture des roches dans la croûte inférieure. Le but de cette étude est de caractériser la génération des liquides de fusion, d'identifier les réactions responsables de la fusion de ces roches et de contraindre la formation de ces liquides et leur mécanisme de ségrégation et de migration. Parallèlement, des travaux expérimentaux ont été entrepris pour reproduire la fusion partielle de ces roches en laboratoire. Cette étude a été effectuée dans le but de confirmer la composition chimique des liquides, et de comparer les textures obtenues en l'absence de déformation. Les résultats montrent qu'un liquide de fusion pegmatoïde est produit par fusion partielle des roches pélitiques. La grande mobilité de ce liquide permet une infiltration pénétrative dans les quarzites. Ces infiltrations se manifestent par des grains de quartz arrondis entourés par une fine bordure de feldspath. L'utilisation de la tomography à rayons X a permis d'obtenir des images de ce réseau de liquide de fusion. L'infiltration de liquide de fusion entraîne un affaiblissement de la rhéologie de la roche ainsi qu'une décompaction des quartzites massifs. Une telle décompaction peut expliquer la découverte récente d'abondants xénocristaux dans beaucoup de magmas, puisque elle favorise l'isolation des minéraux. L'infiltration pénétrative est apparemment fortement influencée par la viscosité du fluide de fusion et le comportement de la tension superficielle entre les cristaux et le liquide, les deux étant dépendant du contenu en eau dans le liquide de fusion et de la température. Dans toutes les expériences, le premier liquide est produit sur les bordures de grains, principalement par les minéraux locaux. L'hétérogénéité à l'échelle des grains d'une roche en fusion conduit donc à un gradient de concentration chimique dans le liquide, qui sert de moteur à l'initiation de la migration du liquide. Des fines couches de liquide de fusion le long de bordures de grains formant un réseau enchevêtré s'établit immédiatement. Les hétérogénéités chimiques initiales dans le liquide s'estompent avec le temps.

Identification and characterization of a caspase-2 activating complex

Résumé Les caspases sont des protéases essentielles lors de l'induction de l'apoptose ou pour la maturation de certaines cytokines. Elles peuvent être divisées en deux groupes: les caspases initiatrices, qui sont les premières activées lors d'un signal pro-apoptotique, et les caspases effectrices, qui sont activées par les caspases initiatrices et sont responsables du clivage et de la dégradation des substrats cellulaires. Les caspases initiatrices sont activées dans des complexes de haut poids moléculaire: l'apoptosome pour la caspase-9 et le DISC pour la caspase-8. La caspase-2 est également une caspase initiatrice qui contient un domaine CARD. Cependant son mécanisme d'activation n'est pas encore connu. Lors de cette étude, nous avons découvert et caractérisé le complexe qui permet l'activation de la caspase-2. Ce complexe, appelé le PIDDosome, est composé de PIDD/LRDD, de la protéine adaptatrice RAIDD et de la protéase caspase-2. L'expression forcée de PIDD induit l'activation constitutive de la caspase-2. Cela entraîne la mort ou la sensibilisation à la mort des cellules selon la lignée étudiée. Cet effet est expliqué par une perte du potentiel de membrane de la mitochondrie, certainement dû à un effet direct de la caspase-2. Peu de choses sont connues sur PIDD: c'est une protéine contenant un domaine DD qui peut être induite par p53. Nous avons caractérisé PIDD et montré qu'elle est exprimée de façon ubiquitaire. PIDD est constitutivement auto-clivée environ au milieu de la protéine, ce qui génère deux fragments qui restent liés l'un à l'autre. Le fragment N-terminal a une activité régulatrice et le C-terminal une activité effectrice. De plus, PIDD peut se déplacer entre le cytoplasme et le noyau. Enfin, nous avons découvert que PIDD est également impliquée dans l'induction de NF¬ -κB en réponse à des dommages à l'ADN. PIDD est responsable de la modification par sumo de NEMO, étape nécessaire à l'induction de NF-κB après des dommages à l'ADN. Ainsi PIDD semble être à l'intersection de la décision que prend la cellule entre survivre et réparer les dommages, ou entrer en apoptose. Summary Caspases are a family of proteases that fulfill varied and often critical roles in mammalian apoptosis or proteolytic activation of cytokines. Caspases can be divided into two sub-groups: initiator caspases, which are the first activated after a pro-apoptotic signal, and effector caspases, which are activated by initiator caspases and that are responsible for the cleavage and degradation of cellular components. Initiator caspases are activated in high molecular weight platforms such as the apoptosome for caspase-9 or the DISC for caspase-8. Caspase-2 is a CARD-containing initiator caspase whose mechanism of activation was not yet known. In this study we have identified an activating platform for caspase-2. This high molecular weight complex, called the PIDDosome, is composed of PIDD/LRDD, the adaptor protein RAIDD and caspase-2. Constitutive expression of PIDD led to constitutive activation of caspase-2, which in some cell lines was sufficient to induce cell death while in others it merely sensitizes. Active caspase-2 was found to disturb directly the mitochondria by inducing a partial loss of the transmembrane potential. Very little was known on PIDD. It can be induce by p53 and inhibition of its expression by antisense oligonucleotides diminishes p53-dependent apoptosis. We decided to further characterize PIDD function and expression. PIDD possesses seven LRR, two Zu5 domains and one DD. It is ubiquitously expressed and appears to be constitutively cleaved by auto- processing into two main fragments equal in size. The two fragments remain bound to one another and constitute a regulatory N-terminal fragment and an active C-terminal fragment. In addition, PIDD can shuttle between the cytoplasm and the nucleus. Finally, investigating the possible relevance of new interaction partners, we found that PIDD is implicated in DNA damage-induced NF- κB. PIDD binds to RIP1 and to NEMO. In response to DNA damage, PIDD translocates to the nucleus and mediates sumo- modification of NEMO, a necessary step in DNA damage-induced NF-κB. All together these results raise the possibility that PIDD acts as a molecular switch between proliferation and repair, and apoptosis following DNA damage.

Molecular basis of interaction between Na,K-ATPase and FXYD proteins.

Résumé au large public Notre corps est constitué de différents types de cellules. La condition minimale ou primordiale pour la survie des cellules est d'avoir de l'énergie. Cette tâche est assumée en partie par une protéine qui se situe dans la membrane de chaque cellule. Nommé Na, K¬ATPase ou pompe à sodium, c'est une protéine pressente dans toutes les cellules chez les mammifères est composée de deux sous-unités, α et β. En transportant 3 ions de sodium hors de la cellule et 2 ions de potassium à l'intérieur de la cellule, elle transforme l'énergie chimique sous forme de l'ATP en énergie motrice, qui permet aux cellules par la suite d'échanger des matériaux entre l'espace intracellulaire et extracellulaire ainsi que d'ingérer des nutriments provenant de son environnement. Le manque de cette protéine chez la souris entraîne la mort de l'embryon. Des défauts fonctionnels de cette protéine sont responsables de plusieurs maladies humaines comme par exemple, un type de migraine. En dehors de sa fonction vitale, cette protéine est également engagée dans diverses activités physiologiques comme la contractilité musculaire, l'activité nerveuse et la régulation du volume sanguin. Vue l'importance de cette protéine, sa découverte par Jens C. Skou en 1957 a été honorée d'un Prix Noble de chimie quarante ans plus tard. Depuis lors, nous connaissons de mieux en mieux les mécanismes de fonctionnement de la Na, K-ATPase. Entre autre, sa régulation par une famille de protéines appelées protéines FXYD. Cette famille contient 7 membres (FXYD 1-7). L'un d'entre eux nommé FXYD 2 est lié à une maladie héréditaire connue sous le nom de hypomagnesemia. Nous disposons actuellement d'informations concernant les conséquences de la régulation par les protéines FXYD sur activité de la Na, K-ATPase, mais nous savons très peu sur le mode d'interaction entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. Dans ce travail de thèse, nous avons réussi à localiser des zones d'interaction dans la sous- unité a de la Na, K-ATPase et dans FXYD 7. En même temps, nous avons déterminé un 3ème site de liaison spécifique au sodium de la Na, K-ATPase. Une partie de ce site se situe à l'intérieur d'un domaine protéique qui interagit avec les protéines FXYD. De plus, ce site a été démontré comme responsable d'un mécanisme de transport de la Na, K-ATPase caractérisé par un influx ionique. En conclusion, les résultats de ce travail de thèse fournissent de nouvelles preuves sur les régions d'interaction entre la Na, K-ATPase et les protéines FXYD. La détermination d'un 3ème site spécifique au sodium et sa relation avec un influx ionique offrent la possibilité 1) d'explorer les mécanismes avec lesquels les protéines FXYD régulent l'activité de la Na, ATPase et 2) de localiser un site à sodium qui est essentielle pour mieux comprendre l'organisation et le fonctionnement de la Na, K-ATPase. Résumé Les gradients de concentration de Na+ et de K+ à travers la membrane plasmatique des cellules animales sont cruciaux pour la survie et l'homéostasie de cellules. De plus, des fonctions cellulaires spécifiques telles que la reabsorption de Na dans le rein et le côlon, la contraction musculaire et l'excitabilité nerveuse dépendent de ces gradients. La Na, K¬ATPase ou pompe à sodium est une protéine membranaire ubiquitaire. Elle crée et maintient ces gradients en utilisant l'énergie obtenu par l'hydrolyse de l'adénosine triphosphate. L'unité fonctionnelle minimale de cette protéine se compose d'une sous-unité catalytique α et d'une sous-unité régulatrice β. Récemment, il a été montré que des membres de la famille FXYD, sont des régulateurs tissu-spécifiques de la Na, K-ATPase qui influencent ses propriétés de transport. Cependant, on connaît peu de chose au sujet de la nature moléculaire de l'interaction entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. Dans cette étude, nous fournissons, pour la première fois, l'évidence directe que des résidus du domaine transmembranaire (TM) 9 de la sous-unité α de la Na, K-ATPase sont impliqués dans l'interaction fonctionnelle et structurale avec les protéines FXYD. De plus nous avons identifié des régions dans le domaine transmembranaire de FXYD 7 qui sont importantes pour l'association stable avec la Na, K-ATPase et une série de résidus responsables des régulations fonctionnelles. Nous avons aussi montré les contributions fonctionnelles du TM 9 de la Na, K-ATPase à la translocation de Na + en déterminant un 3ème site spécifique au Na+. Ce site se situe probablement dans un espace entre TM 9, TM 6 et TM 5 de la sous-unité α de la pompe à sodium. De plus, nous avons constaté que le 3ème site de Na + est fonctionnellement lié à un courant entrant de la pompe sensible à l'ouabaïne et activé par le pH acide. En conclusion, ce travail donne de nouvelles perspectives de l'interaction structurale et fonctionnelle entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. En outre, les contributions fonctionnelles de TM 9 offrent de nouvelles possibilités pour explorer le mécanisme par lequel les protéines FXYD régulent les propriétés fonctionnelles de la Na, K-ATPase. La détermination du 3ème site au Na + fournit une compréhension avancée du site spécifique au Na + de la Na, K-ATPase et du mécanisme de transport de la Na, K-ATPase. Summary The Na+ and K+ gradients across the plasma membrane of animal cells are crucial for cell survival and homeostasis. Moreover, specific tissue functions such as Na+ reabsorption in kidney and colon, muscle contraction and nerve excitability depend on the maintenance of these gradients. Na, K-ATPase or sodium pump, an ubiquitous membrane protein, creates and maintains these gradients by using the energy from the hydrolysis of ATP. The minimal functional unit of this protein is composed of a catalytic α subunit and a regulatory β subunit. Recently, members of the FXYD family, have been reported to be tissue-specific regulators of Na, K-ATPase by influencing its transport properties. However, little is known about the molecular nature of the interaction between FXYD proteins and Na, K-ATPase. In this study, we provide, for the first time, direct evidence that residues from the transmembrane (TM) domain 9 of the α subunit of Na, K-ATPase are implicated in the functional and structural interaction with FXYD proteins. Moreover, we have identified regions in the TM domain of FXYD 7 important for the stable association with Na, K-ATPase and a stretch of residues responsible for the functional regulations. We have further revealed the functional contributions of TM 9 of the Na, K-ATPase α subunit to the Na+ translocation by determining a 3rd Na+-specific cation binding site. This site is likely in a space between TM 9, TM 6 and TM 5 of the a subunit of the sodium pump. Moreover, we have found that the 3rd Na+ binding site is functionally linked to an acidic pH- activated ouabain-sensitive inward pump current. In conclusion, this work gives new insights into the structural and functional interaction between FXYD proteins and Na, K-ATPase. Functional contributions of TM 9 offer new possibilities to explore the mechanism by which FXYD proteins regulate functional properties of Na, K-ATPase. The determination of the 3rd Na+ binding site provides an advanced understanding concerning the Na+ -specific binding site of Na, K-ATPase and the 3rd Na+ site related transport mechanism.

Regulation of the cardiac voltage-gated sodium channel Nav1.5 : regulation of Nav1.5 by ubiquitin-protein ligases of the Nedd4/Nedd4-like family and characterisation of two novel mutations in the gene encoding Nav1.5 (SCN5A) implicated in the Brugada syndrome triggered by fever

Abstract: The genesis of the cardiac action potential, which accounts for the cardiac contraction, is due to the sodium current INa mediated by the voltage-gated sodium channel Nav1.5. Several cardiac arrhythmias such as the Brugada syndrome are known te be caused by mutations in SCN5A, the gene encoding Nav1.5. Studies of these mutations allowed a better understanding of biophysical and functional properties of Nav1.5. However, only few investigations have been performed in order to understand the regulation of Nav1.5. During my thesis, I investigated different mechanisms of regulation of Nav1.5 using a heterologous expression system, HEK293 cells, coupled with a technique of sodium current recording: the patch clamp in whole cell configuration. In previous studies it has been shown that an enzyme of the Nedd4 family (Nedd4-2) regulates an epithelial sodium channel via the interaction with PY-motifs present in the latter. Interestingly, Nav1.5 contains a similar PY-motif, which motivated us to study the role of Nedd4-2 expressed in heart for the regulation of Nav1.5. In a second study, we investigated the implication of two Nav1.5 mutants, which were either less functional or net functional (Nav1.5 R535X and Nav1.5 L325R respectively) implied in the genesis of the Brugada syndrome by fever. Our results established two mechanisms implied in Nav1.5 regulation. The first one implies that following the interaction between the PY-motif of Nav1.5 and Nedd4- 2 Nav1.5 is ubiquitinated by Nedd4-2. This ubiquitination leads to the internalization of Nav1 .5. The second mechanism is a phenomenon called the "dominant negative" effect of Nav1.5 L325R on Nay1.5 where the decrease of 'Na is potentially due to the retention of Nav1.5 by Nav1.5 L325R in an undefined intracellular compartment. These studies defined two mechanisms of Nav1.5 regulation, which could play an important role for the genesis of cardiac arrhythmias where molecular processes are still poorly understood. Résumé La genèse du potentiel d'action cardiaque, permettant la contraction cardiaque, est due au courant sodique INa issu des canaux sodiques cardiaques dépendants du voltage Nav1.5. Nombreuses arythmies cardiaques telles que le syndrome de Brugada sont connues pour être liées à des mutations du gène SCN5A, codant pour Nav1.5. L'étude de ces mutations a permis une meilleure compréhension des propriétés structurelles et fonctionnelles de Nav1.5 et leurs implications dans la genèse de ces pathologies. Néanmoins peu d'études ont été menées afin de comprendre les mécanismes de régulation de Nav1.5. Mon travail de thèse a consisté à étudier des mécanismes de régulation de Nav1.5 en utilisant un système d'expression hétérologue, les cellules HEK293, couplé à une technique d'enregistrement des courants sodiques, le "patch clamp" en configuration cellule entière. La présence sur Nav1.5 d'un motif-PY similaire à ceux nécessaires pour la régulation d'un canal épithélial sodique par une enzyme de la famille de Nedd4, nous a amenée à étudier le rôle de ces ubiquitine-ligases, en particulier Nedd4-2, dans la régulation de Nav1.5. La seconde étude s'est intéressée aux conséquences de deux mutations de SCN5A codant pour deux mutants peu ou pas fonctionnels (Nav1.5 L325R et Nav1.5 R535X respectivement) retrouvées chez des patients présentant un syndrome de Brugada exacerbé par un état fébrile. Nos résultats ont permis d'établir deux mécanismes de régulation de Nav1.5 L'un par Nedd4-2 qui implique rubiquitination de Nav1.5 par cette ligase suite à l'interaction entre le motif-PY de Nav1.5 et Nedd4-2. Cette modification déclenche l'internalisation du canal impliquée dans la diminution d'INa. Le second mécanisme quant à lui est un effet "dominant négatif" de Nav1.5 L325R sur Nav1.5 aboutissant à une diminution d'INa suite à la séquestration intracellulaire potentielle de Nav1.5 par Nav1.5 L325R. Ces études ont mis en évidence deux mécanismes de régulation de Nav1.5 pouvant jouer un rôle majeur dans la genèse et/ou l'accentuation des arythmies cardiaques dont les processus moléculaires au sein des cardiomyocytes, impliquant des modifications du courant sodiques, sont encore mal compris. Résumé destiné à un large public La dépolarisation électrique de la membrane des cellules cardiaques permet la contraction du coeur. La génèse de cette activité électrique est due au courant sodique issu d'un type de canal à sodium situé dans la membrane des cellules cardiaques. De nombreuses pathologies provoquant des troubles du rythme cardiaque sont issues de mutations du gène qui code pour ce canal à sodium. Ces canaux mutants, entrainant diverses pathologies cardiaques telles que le syndrome de Brugada, ont été largement étudiées. Néanmoins, peu de travaux ont été réalisés sur les mécanismes de régulation de ce canal à sodium non muté. Mon travail de thèse a consisté à étudier certains des mécanismes de régulation de ce canal à sodium en utilisant une technique permettant l'enregistrement des courants sodiques issus de l'expression de ces canaux à sodium à la membrane de cellules mammifères. La présence sur ce canal à sodium d'une structure spécifique, similaire à celle nécessaire pour la régulation d'un canal épithélial à sodium par une enzyme appelée Nedd4-2, nous a amenée à étudier le rôle de cette enzyme dans la régulation de ce canal à sodium. La seconde étude s'est intéressée aux rôles de deux mutations du gène codant pour ce canal à sodium retrouvées chez des patients présentant un syndrome de Brugada exacerbé par la fièvre. Nos résultats nous ont permis d'établir deux mécanismes de régulation de ce canal à sodium diminuant le courant sodique l'un par l'action de l'enzyme Nedd4-2, suite à son interaction avec ce canal, qui modifie ce canal à sodium (ubiquitination) diminuant de ce fait la densité membranaire du canal. L'autre par un mécanisme suggérant un effet négatif de l'un des canaux mutants sur l'expression à la membrane du canal à sodium non muté. Ces études ont mis en évidence deux mécanismes de régulation de ce canal à sodium pouvant jouer un rôle majeur dans la genèse et/ou l'accentuation des troubles du rythme cardiaques dont les mécanismes cellulaires sont encore incompris.

Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.

New human kallikrein 14: enzymatic characterization and inhibitors development.

RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC En biologie, si une découverte permet de répondre à quelques questions, en général elle en engendre beaucoup d'autres. C'est ce qui s'est produit récemment dans le monde des kallicréines. De la famille des protéases, protéines ayant la faculté de couper plus ou moins spécifiquement d'autres protéines pour exercer un rôle biologique, la famille des kallicréines humaines n'était composée que de 3 membres lors du siècle dernier. Parmi eux, une kallicréine mondialement utilisée pour détecter le cancer de la prostate, le PSA. En 2000, un chercheur de l'hôpital universitaire Mont Sinaï à Toronto, le Professeur Eleftherios Diamandis, a découvert la présence de 12 nouveaux gènes appartenant à cette famille, situés sur le même chromosome que les 3 premières kallicréines. Cette découverte majeure a placé les spécialistes des kallicréines face à une montagne d'interrogations car les fonctions de ces nouvelles protéases étaient totalement inconnues. La kallicréine humaine 14 (hK14) présente un intérêt particulier, car elle se retrouve associée à différents cancers, notamment les carcinomes ovariens et mammaires. Cette association ne répond cependant pas à la fonction de cette protéase. L'objectif de ce travail de thèse était donc de découvrir, dans un premier temps, la spécificité de cette nouvelle kallicréine, c'est-à-dire le type de coupure qu'elle engendre au niveau des protéines qu'elle cible. Utilisant une technologie de pointe qui exploite la propriété des bactériophages à se répliquer dans les bactéries à l'infini, des dizaines de millions de combinaisons protéiques aléatoires ont été présentées à hK14, qui a pu sélectionner celles qui lui étaient favorables pour la coupure. Cette technique qualitative porte le nom de Phage Display Substrate. Une fois la sélection réalisée, il fallait transférer ces séquences coupées ou substrats dans un système permettant de donner une valeur quantitative à l'efficacité de coupure. Pour cela nous avons développé une technologie qui permet d'évaluer cette efficacité en utilisant des protéines fluorescentes de méduse, modifiées génétiquement, dont l'excitation de la première (CFP : cyan fluorescent protein) par la lumière à une certaine longue d'onde permet le transfert d'énergie à la seconde (YFP : yellow fluorescent protein), via un substrat qui les lie. Pour que ce transfert d'énergie se produise, il faut que les deux protéines fluorescentes soient proches, comme c'est le cas lorsqu'elles sont liées par un substrat. La coupure de ce lien provoque un changement de transfert d'énergie qui est quantifiable en utilisant un spectrofluoromètre. Cette technologie permet donc de suivre la réaction d'hydrolyse (coupure) des protéases. Afin de poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre la fonction biologique d'hK14 ainsi que son éventuelle implication dans le cancer, nous avons développé des inhibiteurs spécifiques d'hK14. Les séquences qui on été le plus efficacement coupées par hK14 ont été utilisées pour transformer deux types d'inhibiteurs classiques, qui circulent dans notre sang, en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Selon les résultats obtenus in vitro, ils pourront être évalués in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. RESUME Les protéases sont des enzymes impliquées dans des processus physiologiques mais aussi parfois pathologiques. La famille des kallicréines tissulaires humaines représente le plus grand groupe de protéases humaines, dont plusieurs pourraient participer au développement de certaines maladies. D'autre part, ces protéases sont apparues comme des marqueurs de pathogénicité potentiels, notamment dans les cas de cancers hormono-dépendants. La kallicréine humaine 14 a été récemment découverte et son implication dans quelques maladies, particulièrement dans le cas de tumeurs, semble probable. En effet, son expression génique est augmentée au niveau des tissus cancéreux de la prostate et du sein et son expression protéique s'est révélée plus élevée dans le sérum de patientes atteintes d'un cancer du sein ou des ovaires. Cependant, comme c'est le cas pour la plupart des kallicréines, sa fonction est encore inconnue. Afin de mieux connaître son rôle biologique et/ou pathologique, nous avons décidé de caractériser son activité enzymatique. Nous avons tout d'abord mis au point un système de substrats entièrement biologique permettant d'étudier in vitro l'activité des protéases. Ce système est basé sur le phénomène de FRET, à savoir le transfert d'énergie de résonance fluorescente qui intervient entre deux molécules fluorescentes voisines si le spectre d'émission de la protéine donneuse chevauche le spectre d'excitation de la protéine receveuse. Nous avons fusionné de manière covalente une protéine fluorescente bleue (CFP) et une jaune (YFP) en les liant avec diverses séquences. Par clivage de la séquence de liaison, une perte du transfert d'énergie peut être mesurée par un spectrofluoromètre. Cette technologie représente un moyen facile de suivre la réaction d'hydrolyse des protéases. Les conditions optimales de production de ces substrats CFP-YFP ont été déterminées, de même que les paramètres pouvant éventuellement influencer le FRET. Ce système possède une grande résistance à la protéolyse non spécifique et est applicable à un grand nombre de protéase. Contrairement aux substrats fluorogéniques, il permet d'étudier les acides aminés se trouvant des deux côtés du site de clivage. Ce système étant entièrement biologique, il est le reflet des interactions protéine-protéine et représente un outil biologique facile, bon marché et rapide pour caractériser les protéases. Dans un premier temps, hK14 a été mise en présence d' une banque de haute diversité de pentapeptides aléatoires présentée à la surface de phages afin d'identifier des substrats spécifiques. Ensuite, le système CFP-YFP a été employé pour trier les peptides sélectionnés afin d'identifier les séquences de substrats les plus sensibles et spécifiques pour hK14. Nous avons montré, qu'en plus de sa prévisible activité de type trypsine, hK14 possède aussi une très surprenante activité de type chymotrypsine. Les séquences les plus sensibles ont été choisies pour cribler la banque de donnée Swissprot, permettant ainsi l'identification de 6 substrats protéiques humains potentiels pour hK14. Trois d'entre eux, la laminine α-5, le collagène IV et la matriline-4, qui sont des composants de la matrice extracellulaire, ont démontré une grande susceptibilité à l'hydrolyse par hK14. De plus, la séparation éléctrophorétique a montré que la dégradation de la laminine α-5 et de la matriline-4 par hK14 devait se produire aux sites identifiés par la technologie du phage display. Pour terminer, nous avons transformé, par mutagenèse dirigée, deux serpines (inhibiteurs de protéases de type sérine) connues, AAT et ACT (alpha anti-trypsine et alpha anti-chymotrypsine), qui inhibent un vaste éventail d'enzymes humaines en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Ces inhibiteurs pourront être utilisés d'une part pour poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre l'implication d'hK14 dans des voies physiologiques ou dans le cancer et d'autre part pour les évaluer in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. SUMMARY Proteases consist of enzymes involved in physiological events, but also, in case of dysregulation, in pathogenicity. The human tissue kallikrein family represents the largest human protease cluster and includes several members that either could participate in the course of certain diseases or emerged as potential biological markers, especially in hormone dependent cancers. The human kallikrein 14 has been recently discovered and suggested implications in some disorders, particularly in tumors since its gene expression is up-regulated in prostate and breast cancer tissues and its protein expression increased in the serum of patients with breast and ovarian cancers. However, like most kallikreins, its function remains unknown. To better understand hK14 biological and/or pathological role, we decided to characterize its enzymatic activity. First of all, we developped a biological system suitable for in vitro study of protease activity. This system is based on the so-called FRET phenomenon, that is the Fluorescence Resonance Energy Transfer that occurs between two nearby fluorescent proteins if the emission spectrum of the donor overlaps the excitation spectrum of the acceptor. We fused covalently a cyan fluorescent protein (CFP) and a yellow fluorescent protein (YFP) with diverses sequences. Upon cleavage of the linker sequence by protease, the loss of energy transfer can be measured by a spectrofluorometer allowing an easy following of hydrolysis reaction. The optimal conditions to produce in bacterial system these CFP-YFP substrates were determined as well as the parameters that could eventually influence the FRET. This system demonstrated a high degree of resistance to non-specific proteolysis and applicability to various conditions corresponding to a great number of existing proteases. Other avantages are the possibility to study the amino acids located both sides of the cleavage site as well as the interest to work in a full biological system reflecting protein-protein interaction. A phage substrate library with exhaustive diversity was used prior to CFP-substrate-YFP system to isolate specific human kallikrein 14 substrates. After that the CFP-YFP system was used to sort peptides and identify highly sensitive and specific substrate sequences for hK14. We showed that besides its predictable trypsin-like activity, hK14 also possesses a surprising chymotrypsin-like activity. The screening of the Swissprot database was achieved with the most sensitive sequences and allowed the identification of 6 potential human protein substrates for hK14. Three of them, laminin α-5, collagen IV and matrilin-4, which are components of the extracellular matrix were incubated with hK14, by which they were efficiently hydrolyzed. Moreover, electrophoretic separation revealed that degradation of laminin α-5 and matrilin-4 by hK14 generated fragments with identical molecular size than the predicted N-terminal fragments that would result from hK14 specific cleavage, proving the value of phage display substrate to identify potential substrates. Finally, with site-directed mutagenesis, we transformed two well-known serpins (serine protease inhibitors), AAT and ACT (alpha anti-trypsin and alpha anti-chymotrypsin), which inhibit a vast spectrum of human enzymes into highly efficient and specific hK14 inhibitors. These inhibitors will be used to pursue experiments that could help understand hK14 implication in physiological pathways as well as in cancer biology and also to perform their in vivo evalution as potential cancer treatment.

Exploring the mechanisms regulating nutrient bioavailability and lipid metabolism through a nutrigenomics approach

SUMMARY Following the complete sequencing of the human genome, the field of nutrition has begun utilizing this vast quantity of information to comprehensively explore the interactions between diet and genes. This approach, coined nutrigenomics, aims to determine the influence of common dietary ingredients on the genome, and attempts to relate the resulting different phenotypes to differences in the cellular and/or genetic response of the biological system. However, complementary to defining the biological outcomes of dietary ingredients, we must also understand the influence of the multiple factors (such as the microbiota, bile, and function of transporters) that may contribute to the bioavailability, and ultimately bioefficacy, of these ingredients. The gastrointestinal tract (GIT) is the body's foremost tissue boundary, interacting with nutrients, exogenous compounds and microbiota, and whose condition is influenced by the complex interplay between these environmental factors and genetic elements. In order to understand GIT nutrient-gene interactions, our goal was to comprehensively elucidate the region-specific gene expression underlying intestinal functions. We found important regional differences in the expression of members of the ATP-binding cassette family of transporters in the mouse intestine, suggesting that absorption of dietary compounds may vary along the GIT. Furthermore, the influence of the microbiota on host gene expression indicated that this luminal factor predominantly influences immune function and water transport throughout the GIT; however, the identification of region-specific functions suggest distinct host-bacterial interactions along the GIT. Thus, these findings reinforce that to understand nutrient bioavailability and GIT function, one must consider the physiologically distinct regions of the gut. Nutritional molecules absorbed by the enterocytes of the GIT enter circulation and will be selectively absorbed and metabolised by tissues throughout the body; however, their bioefficacy in the body will depend on the unique and shared molecular mechanisms of the various tissues. Using a nutrigenomic approach, the biological responses of the liver and hippocampus of mice fed different long chain-polyunsaturated fatty acids diets revealed tissue-specific responses. Furthermore, we identified stearoyl-CoA desaturase as a hepatic target for arachidonic acid, suggesting a potentially novel molecular mechanism that may protect against diet-induced obesity. In summary, this work begins to unveil the fundamentally important role that nutrigenomics will play in unravelling the molecular mechanisms, and those exogenous factors capable of influencing these mechanisms, that regulate the bioefficacy of nutritional molecules. RÉSUMÉ Suite au séquençage complet du génome humain, le domaine de la nutrition a commencé à utiliser cette vaste quantité d'information pour explorer de manière globale les interactions entre la nourriture et les gènes. Cette approche, appelée « nutrigenomics », a pour but de déterminer l'influence d'ingrédients couramment utilisés dans l'alimentation sur le génome, et d'essayer de relier ces différents phénotypes, ainsi révélés, à des différences de réponses cellulaires et/ou génétiques. Cependant, en plus de définir les effets biologiques d'ingrédients alimentaires, il est important de comprendre l'influence des multiples facteurs (telle que la microflore, la bile et la fonction des transporteurs) pouvant contribuer à la bio- disponibilité et par conséquent à l'efficacité de ces ingrédients. Le tractus gastro-intestinal (TGI), qui est la première barrière vers les tissus, interagit avec les nutriments, les composés exogènes et la microflore. La fonction de cet organe est influencée par les interactions complexes entre les facteurs environnementaux et les éléments génétiques. Dans le but de comprendre les interactions entre les nutriments et les gènes au niveau du TGI, notre objectif a été de décrire de manière globale l'expression génique spécifique de chaque région de l'intestin définissant leurs fonctions. Nous avons trouvé d'importantes différences régionales dans l'expression des transporteurs de la famille des « ATP-binding cassette transporter » dans l'intestin de souris, suggérant que l'absorption des composés alimentaires puisse varier le long de l'intestin. De plus, l'étude des effets de la microflore sur l'expression des gènes hôtes a indiqué que ce facteur de la lumière intestinale influence surtout la fonction immunitaire et le transport de l'eau à travers l'intestin. Cependant, l'identification des fonctions spécifiques de chaque région suggère des interactions distinctes entre l'hôte et les bactéries le long de l'intestin. Ainsi, ces résultats renforcent l'idée que la compréhension de la bio-disponibilité des nutriments, et par conséquent la fonction du TGI, doit prendre en considération les différences régionales. Les molécules nutritionnelles transportées par les entérocytes jusqu'à la circulation sanguine, sont ensuite sélectivement absorbées et métabolisées par les différents tissus de l'organisme. Cependant, leur efficacité biologique dépendra du mécanisme commun ou spécifique de chaque tissu. En utilisant une approche « nutriogenomics », nous avons pu mettre en évidence les réponses biologiques spécifiques du foie et de l'hippocampe de souris nourris avec des régimes supplémentés avec différents acides gras poly-insaturés à chaîne longue. De plus, nous avons identifié la stearoyl-CoA desaturase comme une cible hépatique pour l'acide arachidonique, suggérant un nouveau mécanisme moléculaire pouvant potentiellement protéger contre le développement de l'obésité. En résumé, ce travail a permis de dévoiler le rôle fondamental qu'une approche telle que la « nutrigenomics » peut jouer dans le décryptage des mécanismes moléculaires et de leur régulation par des facteurs exogènes, qui ensemble vont contrôler l'efficacité biologique des nutriments.

A study of the translational regulation exerted by some neuroactive substances on the expression of the monocarboxylate transporter MCT2 in cultured cortical neurons

Summary of the thesis Glucose has been considered the major, if not the exclusive, energy substrate for the brain. But under certain conditions other substrates, namely monocarboxylates (lactate, pyruvate, and ketone bodies), can contribute significantly to satisfy brain energy demands. These monocarboxylates need to be transported across the blood brain barrier as well as out of astrocytes into the extracellular space and taken up into neurons. It has been shown that monocarboxylates are transported by a family of proton-linked transporters called monocarboxylate transporters (MCTs). In the central nervous system, MCT2 is the predominant neuronal form and little is known about the regulation of its expression. The neurotransmitter noradrenaline (NA) was shown previously to enhance the expression of MCT2 in cultured cortical neurons via a translational mechanism. Here, we demonstrate that two other substances, namely, insulin and IGF-1 enhance MCT2 protein expression in cultured mouse cortical neurons in a time- and concentrationdependent manner without affecting MCT2 mRNA levels. This result confirmed that MCT2 protein expression is translationally regulated and extend the observation to different types of neuroactive substances. Then we sought to determine by which signaling pathway(s) NA, insulin and IGF-1 can induce MCT2 protein expression. First, we observed by Western blot that all three substances cause activation of the MAP kinase ERK as well as the kinase Akt via their phosphorylation. Moreover, the mTOR/S6K pathway which is known to play an important role in translation initiation regulation was also strongly stimulated by all three substances. Second, we sought to determine the implication of these signaling pathways on the NA-, insulin- and IGF-1-induced enhancement of MCT2 protein expression and used specific inhibitors of these signaling pathways. We observed that the Pia kinase and mTOR inhibitors LY294002 and rapamycin respectively, strongly prevent the enhancement. of MCT2 expression caused by either NA, insulin ar IGF-1. In contrast, the MEK inhibitor PD98059 and the p38 MAP kinase inhibitor SB202190 had only a slight effect on the enhancement of MCT2 expression in all three cases. These results suggest that NA, insulin and IGF-1 regulate MCT2 protein expression by a common mechanism most likely involving the Akt/PKB pathway and translational activation via mTOR. In conclusion, considering the roles of NA, insulin and IGF-1 in synaptic plasticity, the tight translational regulation of MCT2 expression by these substances may represent a common mechanism through which supply of potentiated synapses with nonglucose energy substrates can be adapted to the level of activity. Résumé du travail de thèse Le glucose représente le substrat énergétique majeur pour le cerveau. Cependant, dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques, le cerveau a la capacité d'utiliser des substrats énergétiques appartenant à la classe des monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) afin de satisfaire ses besoins énergétiques. Ces monocarboxylates doivent être transportés à travers la barrière hématoencéphalique mais aussi hors des astrocytes vers l'espace extracellulaire puis re-captés par les neurones. Leur transport est assuré par une famille de transporteurs spécifiques, protons-dépendants, appelés transporteurs aux monocarboxylates (MCTs). Dans le système nerveux central, les neurones expriment principalement l'isoforme MCT2 mais peu d'informations sont disponibles concernant la régulation de son expression. Il a été montré que le neurotransmetteur noradrénaline (NA) augmente l'expression de MCT2 dans les cultures de neurones corticaux de souris par le biais d'un mécanisme de régulation traductionnel. La présente étude nous a permis de démontrer que deux autres substances, l'insuline et 17GF-1, induisent une augmentation de la protéine MCT2 dans ces mêmes cultures selon un décours temporel et une gamme de concentrations particulière. Etonnamment, aucun changement n'a été observé concernant les niveaux d'ARNm de MCT2. Ce résultat .confirme que la protéine MCT2 est régulée de manière traductionnelle et révèle que différentes substances neuro-actives peuvent réguler l'expression de MCT2. Compte tenu de ces observations, nous avons voulu déterminer par quelle(s) voie(s) de signalisation la NA, l'insuline et l'IGF-1 exercent leur effet sur l'expression de MCT2. Dans un premier temps, nous avons pu observer par Western blot que ces trois substances activent la MAP kinase ERK ainsi que la kinase Akt via leur phasphorylation. De plus, la voie mTOR/S6K, connue pour son implication dans la régulation de l'initiation de la traduction est aussi fortement activée par ces trois substances. Dans un second temps, nous avons voulu déterminer I implication de chacune de ces voies de signalisation dans l'augmentation de l'expression de la protéine MCT2 observée après stimulation à la NA, à l'insuline et à l'IGF-1. Pour ce faire, nous avons utilisé des inhibiteurs spécifiques de chacune de ces voies. (Vous avons observé que les inhibiteurs des voies PI3 kinase et mTOR (LY294002 et rapamycin respectivement), prévenaient fortement l'augmentation de l'expression de MCT2 induite par la NA, l'insuline ou (IGF-1. A l'inverse, les inhibitions de la MAP kinase .kinase MEK ainsi que de la MAP kinase p38 (par l'utilisation des inhibiteurs spécifiques PD98059 et SB202190 respectivement) n'ont eu qu'un léger effet dans ces mêmes conditions. Ces résultats suggèrent que la NA, 'l'insuline et I~GF-1 régulent l'expression de la protéine MCT2 par un mécanisme commun impliquant probablement la voie Akt/PKB et l'activation de la traduction via mTOR. En conclusion, considérant l'implication de la NA, de l'insuline et de I`IGF-1 dans la plasticité synaptique, le contrôle traductionnel étroit exercé par ces substances sur l'expression de MCT2 pourrait être un moyen d'alimenter en substrats énergétiques autres que le glucose les synapses activées et également d'adapter l'approvisionnement en substrats énergétiques au niveau d'activité. Résumé « grand public » Le cerveau est un organe qui réalise des tâches complexes nécessitant un apport important en énergie. La principale source d'énergie du cerveau est le glucose. Bien que le cerveau ne représente que 2% de la masse corporelle, il consomme à lui seul plus de 25% du glucose et 20% de l'oxygène provenant de la circulation sanguine. La nécessité d'un tel apport en énergie réside dans la nature -même du fonctionnement des milliards de neurones qui utilisent des signaux électriques et chimiques pour communiquer entre eux. Hormis l'utilisation massive du glucose comme source d'énergie, le cerveau est capable de consommer d'autres substrats énergétiques dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques. Les monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) font partie de ces autres sources d'énergie. Contrairement au glucose, les monocarboxylates ne diffusent pas facilement de la circulation sanguine vers les neurones. Afin de pouvoir être consommés par les neurones, ils doivent être transportés par un système adapté. Ce sont des transporteurs appelés transporteurs aux monocarboxylates ou MCT qui permettent le passage de ces substrats énergétiques du sang vers les neurones. Le but de ce travail de thèse a été de comprendre comment est régulée l'expression de MCT2, l'un de ces transporteurs exprimé spécifiquement à la surface des neurones. Cette étude nous a permis de mettre en évidence que le neurotransmetteur noradrénaline ainsi que les hormones insuline et IGF-1 (insulinlike growth factor-1) sont capables d'induire une augmentation d'expression de MCT2 à la surface des neurones en culture. Nous avons ensuite voulu déterminer par quels mécanismes de signalisation ces substances agissent sur l'expression de MCT2. Nous avons pu observer que la surexpression de la protéine MCT2 est due à une augmentation d'activité traductionnelle (la traduction étant une des étapes qui permet la synthèse des protéines) induite par le biais d'une voie de signalisation particulière. En conclusion, lorsque la noradrénaline, l'insuline ou 17GF-1 agissent sur les neurones, la traduction de la protéine MCT2 est activée et on observe une augmentation de l'expression de MCT2. Ce mécanisme pourrait permettre d'augmenter l'apport énergétique au niveau des neurones en augmentant le nombre de transporteurs pour les substrats énergétiques que sont les monocarboxylates. D'un point de vue physiologique, cette régulation d'expression pourrait jouer un rôle primordial dans des situations d'apprentissage et de mémorisation. Sur le plan pathologique, cela pourrait permettre de prévenir les dommages causes aux neurones dans certains cas d'atteintes cérébrales.

AUTOREGULATION CEREBROVASCULAIRE SOUS ANESTHESIE GENERALE

 En situation post-­‐opératoire, les complications de type accident vasculaire cérébral (AVC), délires et confusions sont plus fréquemment observées chez les personnes âgées que chez les jeunes. L'âge a d'ailleurs été défini comme un facteur de risque d'atteinte cognitive post-­‐opératoire [14, 15]. Il a également été montré que pour diverses raisons expliquées ci-­‐dessus, le mécanisme d'AC était perturbé sous anesthésie générale par volatils [12]. Ainsi, l'AC étant moins fiable sous sédation, le DSC est moins constant et les variations de PPC peuvent être à l'origine d'épisodes ischémiques cliniquement silencieux. Il est alors légitime de se demander si l'atteinte du système d'AC sous anesthésie générale par volatil ne serait pas en lien avec les complications post-­‐ opératoires observées chez la personne âgée. L'objectif de l'étude est de déterminer le comportement du système d'AC et ses valeurs seuils sous anesthésie générale par volatil, chez la personne âgée comparativement au sujet jeune. Si une différence de seuil d'AC peut-­‐être mise en évidence entre les deux populations, il sera intéressant de voir si elle est applicable en clinique, ceci afin de prévenir les complications post-­‐opératoires. Peu de travaux ont été menés sur le lien entre le système d'AC et l'âge, qui plus est sous sédation par volatil. Et pourtant, avec le vieillissement de la population, le nombre d'anesthésie générale chez des patients âgés est en constante augmentation. Les AVC, à l'origine d'handicaps physiques et cognitifs majeurs, et leur prise en charge représentent un coût certain pour l'assurance maladie. Il devient donc de plus en plus urgent de comprendre le comportement du système d'AC chez la personne âgée sous anesthésie générale. Plus qu'un simple intérêt scientifique, cette étude est directement appliquée à la clinique et est pleinement d'actualité.

Biochemical characterization of recombinant human telomerase

Résumé Les télomères sont les structures ADN-protéines des extrémités des chromosomes des eucaryotes. L'ADN télomérique est constitué de courtes séquences répétitives. L'intégrité des télomères est essentielle pour protéger les extrémités des chromosomes contre les systèmes de dégradations et pour les distinguer des cassures de l'ADN double brin. Parce que la machinerie de la réplication de l'ADN n'est pas capable de répliquer l'extrémité des chromosomes, les télomères raccourcissent au fur et à mesure des cycles de réplication. Dès que les télomères atteignent une longueur critique, leur structure protectrice est perdue. Cela induit un signal de dommage de l'ADN et l'arrêt du cycle cellulaire. Pour contrebalancer le raccourcissement des télomères, les cellules qui s'auto régénèrent, dont les cellules de la moelle osseuse, les lymphocytes activés et 80-90% des cellules cancéreuses, expriment la télomérase. C'est une ribonucléoprotéine qui a la capacité de synthétiser des séquences télomériques par transcription inverse d'une courte séquence contenue dans sa propre sous-unité ARN avec laquelle elle est associée. La télomérase humaine est une enzyme processive au niveau de l'addition des nucléotides et aussi des répétitions télomériques. La télomérase de levure et la télomérase humaine sont toutes deux dimériques et il a été montré que la télomérase humaine recombinante contient deux ARN qui coopèrent pour fonctionner ainsi que deux sous-unités catalytiques. Cependant, il n'a pas encore été montré quel est le rôle de la dimérisation dans l'activité de la télomérase. Afin d'élucider ce rôle, nous avons exprimé, reconstitué et purifié la télomérase humaine dimérique recombinante. Et pour étudier l'effet d'ARN mutants sur l'activité de la télomérase, nous avons développé une méthode pour reconstituer et enrichir en hétérodimères de télomérase. Les hétérodimères contiennent une sous-unité ARN sauvage et une sous-unité ARN mutée au niveau de la séquence de la matrice. Sur l'ARN muté nous avons introduit une étiquette aptamer ARN-S1 puis nous avons purifié la télomérase via l'etiquette Si. Nous avons montré que la dimérisation est essentielle pour l'activité de la télomérase. Nos données indiquent que chaque télomérase du dimère allonge leur substrat, l'ADN télomérique, indépendamment l'une de l'autre à chaque cycle d'élongation mais que l'addition itérative de répétitions télomériques nécessite une coopération entre les deux télomérases du dimère. Nous proposons donc un modèle dans lequel les deux télomérases du dimères se lient et allongent deux substrats télomères et que pendant l'élongation processive les deux enzymes subissent un changement de conformation de manière coordonnée, ce changement va permettre le repositionnement des substrats pour d'autres cycles d'additions de répétitions télomériques. Dyskeratosis congenita est une maladie mortelle due majoritairement au disfonctionnement de la moelle osseuse. Dans la forme autosomale de la maladie, l'ARN de la télomérase contient des mutations. En utilisant notre système de reconstitution, nous avons montré que ces ARN mutés, qui ont perdu leur activité enzymatique dans le cas d'un homodimère de mutants, sont dominant négatifs quand ils sont présents dans les hétérodimères sauvage/mutant. Cet effet trans-dominant négatif pourrait contribuer à la progression de la maladie. Abstract Telomeres are protein-DNA structures at the ends of linear eukaryotic chromosomes. The telomeric DNA consists of tandemly repeated sequences. Telomeric integrity is essential to protect chromosomal ends from nucleolytic degradation and to prevent their recognition as DNA double strand breaks. Due to the inability of the conventional DNA replication machinery to replicate terminal DNA stretches, telomeres shorten with continuous rounds of DNA replication. As soon as telomeres reach a critical length, their protective structure is lost and the deprotected telomeres will induce a DNA damage response leading to cell cycle arrest. To counteract telomere shortening, self-renewing cells, including bone marrow cells, activated lymphocytes and 80-90% of cancer cells express the cellular reverse transcriptase telomerase, which has the capacity to synthesize telomeric repeats by reverse transcription of a short template sequence encoded by its stably associated RNA subunit. Human telomerase is a processive enzyme for nucleotide as well as repeat addition. Both yeast and human telomerase are dimeric enzymes and recombinant human telomerase has been shown to contain two functionally cooperating RNAs and most probably also two protein subunits. However, it has remained unclear how dimerization may contribute to telomerase activity. To study the role of dimerization, we expressed, reconstituted and purified recombinant human telomerase. We also developed a new method to reconstitute and enrich for telomerase heterodimers containing wild-type (wt) and mutant telomerase RNA subunits. To this end we introduced an S1-RNA-aptamer tag into telomerase RNA and purified telomerase reconstituted with a mixture of untagged and tagged RNA via the S1-tag. Using this experimental system, we introduced template mutations in the tagged RNA subunit and examined the effect of mutant RNAs on wt telomerase activity in wt/mutant heterodimers. We obtained evidence that dimerization is essential for telomerase activity. Our data indicate that the two subunits elongate telomere substrates independently of each other during single rounds of elongation, but that iterative addition of telomeric repeats requires cooperation between the two subunits. We suggest a model, in which dimeric telomerases bind and elongate two telomere substrates and that the two subunits undergo coordinated conformational changes during processive elongation that enable repositioning the substrates for subsequent rounds of repeat addition. Dyskeratosis congenita is a multisystemic disease with bone marrow failure as the major cause of death. The autosomal form of this disease was found to harbor mutations in the telomerase RNA. Using our reconstitution system, we tested whether mutant dyskeratosis telomerase RNAs behaved in a dominant negative manner. We observed that dyskeratosis telomerase RNA mutants, which lacked enzymatic activity were dominant negative, when present in wt/ mutant heterodimers. The transdominant negative effect of these mutants may contribute to disease progression.

Role of c-Myc in homeostasis of memory CD8 T cells

RESUME La mémoire immunologique est essentielle durant la vie et permet aux lymphocytes de répondre plus rapidement et efficacement lors d'une deuxième rencontre avec un antigène connu. Les facteurs contrôlant l'homéostasie des cellules T CD8 mémoires in vivo ne sont pas encore bien définis. Cependant, la prolifération homéostatique de ces cellules dans un hôte déplété en cellules hématopoietiques nécessite l'intéraction du TCR avec les molecules du MHC de class I du soi. De plus, le rôle de cytokines, telles que 1'IL-15 et l'IL-7, est essentiel dans ce mécanisme, aussi bien que dans la maintenance des cellules T CD8 mémoires. Puisque la protéine c-Myc - impliquée dans des mécanismes tells que la division, la prolifération, l'apoptose et la differentiation - a été définie comme étant impliquée dans la réponse à différentes cytokines, nous nous sommes intéressés à l'analyse de l'homéostasie des lymphocytes T CD8 mémoires dans des souris déficientes en c-Myc (c_rnycΔORF/+), qui expriment un niveau réduit de cette protéine. Bien que le développement des cellules T dans le thymus soit normal dans les souris c_rnycΔORF/+, nous avons observé une réduction de 2 à 3 fois dans la population des cellules T CD8 de phenotype mémoire (CD44+) dans les organes lymphoïdes de la périphérie de ces souris. Cette différence ne correspond pas à une réduction de prolifération ou d'expression de protéines de survie telles que Bel-2. Cependant, la prolifération homéostatique de cellules T CD8 c_rnycΔORF/+, mais pas T CD4 c_rnycΔORF/+, est reduite de manière dramatique lorsqu'elles sont transférées dans un hôte irradié. De plus, le transfert adoptif de lymphocytes T dans des souris irradiées déficientes en l'IL-15 nous a permis de montrer que la prolifération homéostatique dépendante de l'IL-15 des cellules T CD8 nécessite l'expression de c-Myc. De plus, contrairement aux cellules T CD8 CD44+ de type sauvage, nous avons observé que l'expansion induite par l'IL-15 des cellules T CD8 CD44+ c_rnycΔORF/+ est altérée aussi bien in vivo (en réponse à une injection de polyI:C) et in vitro. Par conséquent, nos résultats identifient c-Myc comme une nouvelle protéine régulatrice de la signalisation par l'IL-15 impliquée dans l'homéostasie des cellules T CD8 CD44+. SUMMARY Immunological memory is essential throughout life and allows memory lymphocytes to respond faster and more efficiently upon re-encounter of a known antigen. Factors controlling homeostasis of memory CD8 T cells under steady-state conditions in vivo are currently not well defined. However, the homeostatic proliferation of memory CD8 T cells in lymphopenic hosts requires the interaction of the TCR with self MHC class I molecules. In addition, cytokines, such as IL-15 and to a lesser extent IL-7, are essential for both homeostatic proliferation and maintenance of memory CD8 T cells. Since c-Myc, a proto-oncogene involved in cell division, proliferation, apoptosis and differentiation, has been widely implicated in responsiveness to cytokines, we were interested in analyzing homeostasis of memory CD8 T cells in c-myc hypomorph (c_rnycΔORF/+) mice, which express reduced levels of c-Myc. Although T cell development in the thymus was normal in c_rnycΔORF/+ mice, we found a selective 2- to 3-fold reduction in the memory-phenotype CD44high CD8 T cell population in the periphery. Reduced numbers of CD44high CD8 T cells did not correlate with decreased steady-state turnover rate or low expression of survival factors such as Bcl- 2. However, homeostatic proliferation of c_rnycΔORF/+ CD8 T cells, but not c_rnycΔORF/+ CD4 T cells, was dramatically reduced upon transfer into sublethally irradiated wild-type recipients. In addition, upon transfer of c_rnycΔORF/+ and c-myc WT cells into IL-15-/- mice, we observed that IL-15-induced homeostatic proliferation of CD8 T cells requires c-Myc. Moreover, in contrast to c-myc WT CD44high CD8 T cells, IL-15-induced expansion of c_rnycΔORF/+ CD44high CD8 T cells was strongly impaired both in vivo (in response to polyI:C injection) and in vitro. Collectively, our data identify c-Myc as a novel downstream regulator of IL-15 signaling involved in homeostasis of memory CD8 T cells.

Cell-cell communication in the biocontrol strain Pseudomonas fluorescens CHA0

Summary Pseudomonas fluorescens CHAO is a soil bacterium which was isolated near Morens (Switzerland) and which protects plants from root-pathogenic fungi. This protection is due to extracellular secondary metabolites whose synthesis is regulated by the two-component system GacS/GacA in strain CHAO. Extracellular signals of bacterial origin activate this regulatory system. These signals are different from N-acyl-homoserine lactones, are extracted by dichloromethane and appear to have a low molecular weight. Preliminary evidence was obtained from a small molecule m/z 278 produced by strain CHAO. Similar signals capable of activating GacS/GacA-dependent regulation in strain CHAO were found in a large number of different Gram-negative bacteria. Once activated by signal(s), the sensor GacS is assumed to phosphorylate the response regulator GacA, which positively influences a regulatory cascade, resulting in the synthesis of secondary metabolites. This cascade includes three GacA-controlled small regulatory RNAs and two translational repressor proteins. The regulatory RNAs titrate the repressor proteins; this allows translation of target genes and the synthesis of exoenzymes and secondary metabolites such as antibiotics and hydrogen cyanide. A GFP-based sensor for signal detection was constructed in strain CHAO by fusing the gfp reporter gene to the rsmZ small RNA gene. CHAO mutants defective for signal production were isolated following transposon insertion mutagenesis. In one class of mutants obtained, the gacS gene was inactivated, indicating that GacS/GacA positively controls signal production. In a second class, the thiC gene required for thiamine (vitamin B1) biosynthesis was disrupted. Addition of excess (> 10E-6 M) thiamine to the medium restored signal production. By contrast, when the thiamine concentration was just sufficient to allow normal growth, no production of signal(s) was observed. The mechanism by which thiamine activates signal production remains to be elucidated. Résumé Pseudomonas fluorescens CHAO est une bactérie du sol, isolée près de Morens (Suisse), qui a la capacité de protéger les plantes contre des champignons pathogènes de la racine. Cette protection provient de métabolites secondaires excrétés par la bactérie, dont la synthèse est régulée par le système à deux composants GacS/GacA. Des signaux extracellulaires d'origine bactérienne activent ce système de régulation. Ces signaux, différents des N-acyl¬homosérines lactones, sont extraits par le dichlorométhane et semblent avoir une petite masse moléculaire. Une molécule (masse m/z 278) a été mise en évidence par des expériences préliminaires chez la souche CHAO. Des signaux similaires, capables d'activer la régulation dépendante de GacS/GacA chez la souche CHAO, ont été trouvés chez un grand nombre de bactéries à Gram négative. Une fois activé par le(s) signal(aux), le senseur GacS est supposé phosphoryler le régulateur de réponse GacA, qui influence positivement la cascade de régulation menant à la synthèse des métabolites secondaires. Cette cascade inclut trois petits ARNs régulateurs contrôlés par GacA et deux protéines répresseurs de la traduction. Les ARNs régulateurs titrent les protéines répresseurs, ce qui permet la traduction des gènes cibles et la synthèse d'exoenzymes et de métabolites secondaires tel les antibiotiques et le cyanure d'hydrogène. Un senseur basé sur la GFP pour la détection de signaux a été construit dans la souche CHAO en fusionnant le gène rapporteur gfp au gène de petit ARN rsmZ. Des mutants de CHAO déficients pour la production de signaux ont été isolés au moyen d'une mutagenèse par insertion de transposon. Chez une classe de mutants obtenus, le gène gacS a été inactivé, indiquant que GacS/GacA contrôle positivement la production de signaux. Dans une seconde classe, le gène thiC nécessaire à la biosynthèse de thiamine (vitamine B1) a été interrompu. L'addition en excès (> 10E-6 M) de thiamine au milieu restaure la production de signaux. A l'opposé, quand la concentration de thiamine est juste suffisante pour permettre une croissance normale, aucune production de signaux n'a été observée. Le mécanisme par lequel la thiamine active la production de signaux reste à élucider.

Methicillin-resistant Staphylococcus aureus resensitization by protein synthesis inhibitors : proposal for a mechanism

RESUME Staphylococcus aureus est un important pathogène à gram-positif, à la fois responsable d'infections nosocomiales et communautaires. Le S. aureus résistant à la méthicilline est intrinsèquement résistant aux bêta-lactamines, inhibiteurs de la synthèse de la paroi bactérienne, grâce à une enzyme nouvellement acquise, la protéine liant la pénicilline 2A, caractérisée par une faible affinité pour ces agents et pouvant poursuivre la synthèse de la paroi, alors que les autres enzymes sont bloquées. Ce micro-organisme a également développé des résistances contre quasiment tous les antibiotiques couramment utilisés en clinique. Parallèlement au développement de molécules entièrement nouvelles, il peut être utile d'explorer d'éventuelles caractéristiques inattendues de médicaments déjà existants, par exemple en les combinant, dans l'espoir d'un potentiel effet synergique. Comprendre les mécanismes de tels effets synergiques pourrait contribuer à la justification de leur utilisation clinique potentielle. Récemment, un effet synergique contre le S. aureus résistant à la méthicilline a été décrit entre la streptogramine quinupristine-datfopristine et les bêta-lactamines, aussi bien in vitro qu'in vivo. Le présent travail a pour but de proposer un modèle pour le mécanisme de cette interaction positive et de l'étendre à d'autres classes d'antibiotiques. Premièrement, un certain nombre de méthodes microbiologiques ont permis de mieux cerner la nature de cette interaction, en montrant qu'elle agissait spécifiquement sur le S. aureus résistant à la méthicilline et qu'elle était restreinte à l'association entre inhibiteurs de la synthèse des protéines et bêta-lactamines. Deuxièmement, L'observation de l'influence des inhibiteurs de la synthèse des protéines sur la machinerie de la paroi bactérienne, c'est-à-dire sur l'expression des protéines liant la pénicilline, responsables de la synthèse du peptidoglycan, a montré une diminution de la quantité de ta protéine liant la pénicilline 2, connue pour posséder une activité de transglycosylation, indispensable au bon fonctionnement de la protéine liant la pénicilline 2A, responsable de la résistance à la méthicilline. Troisièmement, l'analyse fine de la composition du peptidoglycan extrait de bactéries, avant ou après traitement par des inhibiteurs de la synthèse des protéines, a montré des altérations corrélant avec leur capacité à agir en synergie avec les bêta-lactamines contre S. aureus résistant à ta méthicilline. Ces altérations dans les muropeptides pourraient représenter une signature de la diminution de la quantité de la protéine liant la pénicilline 2. Le modèle mécanistique retenu considère que les inhibiteurs de la synthèse des protéines pourraient diminuer l'expression de la protéine Liant la pénicilline 2, indispensable à la résistance à la méthiciltine, et que ce déséquilibre dans les enzymes synthétisant la paroi bactérienne pourrait générer une signature dans les muropeptides. SUMMARY Staphylococcus aureus is a major gram-positive pathogen causing both hospital-acquired and community-acquired infections. Methicillin- resistant Staphylococcus aureus is intrinsically resistant to the cell wall inhibitors beta-lactams by virtue of a newly acquired cell-wall-building enzyme, tow-affinity penicillin-binding protein 2A, which can build the wall when other penicillin-binding proteins are blocked. Moreover, the microorganism has developed resistance to virtually all non-experimental antibiotics. In addition of producing entirely new molecules, it is useful to explore unexpected features of existing drugs, for example by using them in combination, expecting drug synergisms. Understanding the mechanisms of such synergisms would help justify their putative clinical utilization. Recently, a synergism between the streptogramin quinupristin-dalfopristin and beta-lactams was reported against methicillin-resistant S. aureus, both in vitro and in vivo. The present work intends to propose a model for the mechanism of this positive interaction and to extend it to other drug classes. First, microbiological experimentation helped better defining the nature of this interaction, restricting it to methicillin-resistant S. aureus, and to the association of protein synthesis inhibitors with beta-lactams. Second, the observation of inhibitors of protein synthesis influence on the cell-wall-building machinery, i.e. on the expression of penicillin-binding proteins responsible for peptidoglycan synthesis, showed a decrease in the amount of penicillin-binding protein 2, known to provide a transglycosylase activity for glycan chain elongation, indispensable for the functionality of the low-affinity penicillin-binding protein 2A responsible for methicillin resistance. Third, the fine analysis of the peptidoglycan composition purified from bacteria before or after treatment with inhibitors of protein synthesis showed alterations that correlated with their ability to synergize with beta-lactams against methicillin-resistant S. aureus. These muropeptide alterations could be the signature of decrease in the amount of penicillin-binding protein 2. The retained mechanistic model is that inhibitors of protein synthesis could decrease the expression of penicillin-binding protein 2, wich is indispensable for methicillin-resistance, and that this imbalance in cell-wall-building enzymes could generate a muropeptide signature.

Pyochelin-mediated signalling in Pseudomonas aeruginosa

SUMMARY: Iron is an essential element for nearly all organisms but it is poorly available in most environments and not sufficient to support microbial growth. Bacteria have evolved a range of strategies to acquire this important metal, the most common of these being siderophore-mediated iron uptake. Siderophores are high-affinity iron chelators which are released to the extracellular environment where they complex iron and deliver it to the bacterial cell, via specific uptake systems. The Gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa produces two siderophores, pyoverdine and pyochelin, which both contribute to the virulence of this opportunistic human pathogen. The genes responsible for pyochelin-mediated iron uptake are grouped in the P. aeruginosa chromosome. The pyochelin biosynthetic genes are organized in two divergent operons, pchDCBA and pchEFGHI, which flank the regulatory gene pchR. The fptA gene, encoding the ferric pyochelin outer membrane receptor, occurs immediately downstream of the pchEFGHI genes. The biosynthesis of the siderophore and its receptor is subjected to dual regulation enabling P. aeruginosa to respond not only to the intracellular iron level but also to the presence of the siderophore in the extracellular environment. Negative regulation is mediated by the widespread Fur protein which employs ferrous iron as a corepressor and binds to a consensus sequence in the promoter region of iron-regulated genes. Positive regulation occurs during iron starvation and requires the AraC-type transcriptional regulator PchR. This regulator, together with pyochelin, induces the expression of pyochelin biosynthesis and uptake genes via a mechanism which was partly unraveled during this thesis. A 32-bp conserved sequence element (PchR-box) was identified in promoter regions of pyochelin-controlled genes. The PchR-box in the pchR-pchDCBA intergenic region was found to be essential for the induction of the pchDCBA operon and for the repression of the divergently transcribed pchR gene. PchR was purified as a fusion with maltose-binding protein (MBP). Mobility shift assays demonstrated specific binding of MBP-PchR to the PchR-box in the presence, but not in the absence of pyochelin. PchR-box mutations which interfered with pyochelin-dependent regulation in vivo, also affected pyochelin-dependent PchR-box recognition in vitro. These results show that pyochelin is the intracellular effector required for PchR-mediated regulation. The fact that extracellular pyochelin triggers this regulation implies that the siderophore can enter the cytoplasm. This conclusion was corroborated by analysing the importance of known and putative pyochelin uptake genes for pyochelin-dependent gene regulation. The pyochelin receptor gene fptA is followed by three genes, fptB, fptC, and fptX, which were shown here to be co-transcribed with fPtA. While fPtX encodes an inner membrane pen-I-lease, the functions of FptB and FptC are currently unknown. FptA and FptX, which are both required for pyochelin-mediated iron uptake, were found to be also needed for pyochelin-dependent gene regulation. FptB and FptC however, were not required and their role, if any, in the uptake of the PchR effector pyochelin remains elusive. RESUME Le fer est un élément essentiel pour la quasi-totalité des organismes, mais dans la plupart des environnements, il est difficilement accessible et insuffisant à la croissance microbienne. Les bactéries ont développé de multiples stratégies pour acquérir ce précieux métal, la plus commune étant l'acquisition au moyen de sidérophores. Les sidérophores sont des petites molécules dotées d'une forte affinité pour le fer qui, une fois relâchées dans l'environnement extracellulaire, vont complexer le fer et le délivrer à la cellule bactérienne par l'intermédiaire de systèmes d'acquisition spécifiques. La bactérie Gram-négative Pseudomonas aeruginosa produit deux sidérophores, la pyoverdine et la pyochéline, qui contribuent également à la virulence de ce pathogène opportuniste. Les gènes impliqués dans l'acquisition du fer à l'aide de la pyochéline sont regroupés sur t. le chromosome de P. aeruginosa. Les gènes de biosynthèse de la pyochéline sont organisés en deux opérons divergents, pchDCBA et pchEFGHI, qui flanquent le gène régulateur pchR. Le gène fptA, codant pour le récepteur de la pyochéline dans la membrane externe, est situé immédiatement en aval des gènes pchEFGHL La biosynthèse du sidérophore et de son récepteur est soumise à une double régulation permettant à P. aeruginosa de réagir non seulement à la quantité de fer intracellulaire, mais également à la présence du sidérophore dans le milieu extracellulaire. La répression se fait par l'intermédiaire de la protéine Fur, qui nécessite le fer ferreux comme co-répresseur et se lie à une séquence consensus dans la région promotrice des gènes régulés par le fer. L'induction se produit lorsque le fer est limitant, et requiert PchR, un régulateur transcriptionnel de la famille AraC. En présence de pyochéline, ce régulateur induit l'expression des gènes de biosynthèse et du récepteur de la pyochéline par l'intermédiaire d'un mécanisme partiellement résolu dans ce travail. Une séquence conservée (PchR-box) a été identifiée dans la région promotrice des gènes régulés par la pyochéline. La PchR-box située dans la région intergénique pchR-pchDCBA s'est révélée être importante pour l'induction de l'opéron pchDCBA et la répression du gène divergent pchR. PchR a été purifiée en tant que protéine de fusion avec une protéine liant le maltose (MBP). Des expériences de gel retard ont démontré la liaison spécifique de la protéine MBP-PchR sur la PchR-box en présence, mais non en absence de pyochéline. Les mutations de la PchR-box qui ont affecté la régulation pyochéline-dépendante in vivo, ont également eu un effet sur la liaison de la protéine in vitro. Ces résultats démontrent que la pyochéline est l'effecteur intracellulaire nécessaire à la régulation par PchR. Le fait que la pyochéline extracellulaire soit capable d'activer cette régulation implique que le sidérophore entre dans le cytoplasme. Cette conclusion a été corroborée par l'évaluation du rôle des gènes connus ou putatifs de l'incorporation du fer via la pyochéline sur la régulation pyochéline-dépendente. Le gène fPtA, codant pour le récepteur de la pyochéline, est suivi de trois gènes, fptB,fptC, et fptX, co-transcrits avec,ffitA. Si sffitX code pour une perméase de la membrane interne, la fonction de FptB et FptC reste obscure. FptA et FptX, nécessaires à l'acquisition du fer par l'intermédiaire de la pyochéline, se sont également révélés être requis pour la régulation pyochéline-dépendante des gènes pchDCBA, pchEFGHI et fptABCX. FptB et FptC n'ont quant à eux vraisemblablement pas de rôle majeur à jouer, si ce n'est aucun, dans l'incorporation de la pyochéline.