The role of the hypothalamic kisspeptin/GPR54 system in the control of GnRH neurons

Summary : The hypothalamus represents less than 1 % of the total volume of the brain tissue, yet it plays a crucial role in endocrine regulations. Puberty is defined as a process leading to physical, sexual and psychosocial maturation. The hypothalamus is central to this process, via the activation of GnRH neurons. Pulsatile GnRH secretion, minimal during childhood, increases with the onset of puberty. The primary function of GnRH is to regulate the growth, development and function of testes in boys and ovaries in girls, by stimulating the pituitary gland secretion of luteinizing hormone (LH) and follicle-stimulating hormone (FSH). Several factors contribute to the timing of puberty, including sex and ethnicity, genetics, dietary intake and energy expenditure. Kisspeptins constitute a family of small peptides arising from the proteolytic cleavage of metastin, a peptide with 54 amino acids initially purified from human placenta. These kisspeptins were the subject of much attention following their discovery because of their antimetastatic properties, but it was more recently that their determining role in the reproductive function was demonstrated. It was shown that kisspeptins are ligands of a receptor, GPR54, whose natural inactivating mutation in humans, or knockout in the mouse, lead to infertility. GnRH neurons play a pivotal role in the central regulation of fertility. Kisspeptin greatly increases GnRH release and GnRH neuron firing activity, but the neurobiological mechanisms for these actions are unknown. Gprotein-coupled receptor 54, the receptor for kisspeptin, is expressed by GnRH neurons as well as other hypothalamic neurons, suggesting that both direct and indirect effects are possible. In the first part of my thesis, we investigated a possible connection between the acceleration of sexual development induced by leptin and hypothalamic metastin neurons. However, the data generated by our preliminary experiments confirmed that the commercially available antibodies are non-specific. This finding constituted a major drawback for our studies, which relied heavily upon the neuroanatomical study of the hypothalamic metastinergic pathways to elucidate their sensitivity to exogenous leptin. Therefore, we decided to postpone any further in vivo experiment until a better antibody becomes available, and focused on in vitro studies to better understand the mechanisms of action of kisspeptins in the modulation of the activity of GnRH neurons. We used two GnRH-expressing neuronal cell lines to investigate the cellular and molecular mechanisms of action of metastin in GnRH neurons. We demonstrated that kisspeptin induces an early activation of the MAP kinase intracellular signaling pathway in both cell lines, whereas the SAP/JNK or the Akt pathways were unaffected. Moreover, we found an increase in GnRH mRNA levels after 6h of metastin stimulation. Thus, we can conclude that kisspeptin regulates GnRH neurons both at the secretion and the gene expression levels. The MAPK pathway is the major pathway activated by metastin in GnRH expressing neurons. Taken together, these data provide the first mechanism of action of kisspeptin on GnRH neurons. Résumé : L'hypothalamus est une zone située au centre du cerveau, dont il représente moins de 1 du volume total. La puberté est la période de transition entre l'enfance et l'age adulte, qui s'accompagne de transformations somatiques, psychologiques, métaboliques et hormonales conduisant à la possibilité de procréer. La fonction principale de la GnRH est la régulation de la croissance, du développement et de la fonction des testicules chez les hommes, et des ovaires chez les femmes en stimulant la sécrétion de l'hormone lutéinisante (LH) et de l'hormone folliculostimulante (FSH) par la glande hypophysaire. Plusieurs facteurs contribuent au déclanchement de la puberté, y compris le sexe et l'appartenance ethnique, la génétique, l'apport alimentaire et la dépense énergétique. Les Kisspeptines constituent une famille de peptides résultant de la dissociation proteolytique de la métastine, un peptide de 54 acides aminés initialement purifié à partir de placenta humain. Ces kisspeptines ont fait l'objet de beaucoup d'attention à la suite de leur découverte en raison de leurs propriétés anti-metastatiques, et c'est plus récemment que leur rôle déterminant dans la fonction reproductive a été démontré. Les kisspeptines sont des ligands du récepteur GPR54, dont la mutation inactivatrice chez l'homme, ou le knockout chez la souris, conduisent à l'infertilité par hypogonadisme hypogonadotrope. Les neurones à GnRH jouent un rôle central dans le règlement des fonctions reproductrices et la kisspeptine stimule l'activité des neurones à GnRH et la libération de GnRH par ces neurones. Toutefois, les mécanismes neurobiologiques de ces actions ne sont pas connus. Dans la première partie de ma thèse, nous avons étudié le lien potentiel entre l'accélération du développement sexuel induite par la leptine et les neurones hypothalamiques à metastine. Les données générées dans cette première série d'expériences ont malheureusement confirmé que les anticorps anti-metastine disponibles dans le commerce sont aspécifiques. Ceci a constitué un inconvénient majeur pour nos études, qui devaient fortement s'appuyer sur l' étude neuroanatomique des neurones hypothalamiques à metastine pour évaluer leur sensibilité à la leptine exogène. Nous avons donc décidé de focaliser nos travaux sur une étude in vitro des mécanismes d'action de la kisspeptine pour moduler l'activité des neurones à GnRH. Nous avons utilisé deux lignées de cellules neuronales exprimant la GnRH pour étudier les mécanismes d'action cellulaires et moléculaires de la metastine dans des neurones. Nous avons ainsi pu démontrer que la kisspeptine induit une activation précoce de la voie f de signalisation de la MAP kinase dans les deux lignées cellulaires, alors que nous n'avons observé aucune activation de la voie de signalisation de la P13 Kinase et de la SAP/JNK. Nous avons en outre démontré une augmentation de l'expression de la GnRH par la stimulation avec la Kisspeptine. L'ensemble de ces données contribue à élucider le mécanisme d'action avec lequel la kisspeptine agit dans les neurones à GnRH, en démontrant un effet sur l'expression génique de la GnRH. Nous pouvons également conclure que la voie de la MAPK est la voie principale activée par la metastine dans les neurones exprimant la GnRH.

Do glial cells control pain?

Management of chronic pain is a real challenge, and current treatments focusing on blocking neurotransmission in the pain pathway have only resulted in limited success. Activation of glia cells has been widely implicated in neuroinflammation in the central nervous system, leading to neruodegeneration in many disease conditions such as Alzheimer's and multiple sclerosis. The inflammatory mediators released by activated glial cells, such as tumor necrosis factor-α and interleukin-1β can not only cause neurodegeneration in these disease conditions, but also cause abnormal pain by acting on spinal cord dorsal horn neurons in injury conditions. Pain can also be potentiated by growth factors such as BDNF and bFGF that are produced by glia to protect neurons. Thus, glia cells can powerfully control pain when they are activated to produce various pain mediators. We will review accumulating evidence supporting an important role of microglia cells in the spinal cord for pain control under injury conditions (e.g. nerve injury). We will also discuss possible signaling mechanisms in particular MAP kinase pathways that are critical for glia control of pain. Investigating signaling mechanisms in microglia may lead to more effective management of devastating chronic pain.

Role of the JNK pathway in NMDA-mediated excitotoxicity of cortical neurons.

Excitotoxic insults induce c-Jun N-terminal kinase (JNK) activation, which leads to neuronal death and contributes to many neurological conditions such as cerebral ischemia and neurodegenerative disorders. The action of JNK can be inhibited by the D-retro-inverso form of JNK inhibitor peptide (D-JNKI1), which totally prevents death induced by N-methyl-D-aspartate (NMDA) in vitro and strongly protects against different in vivo paradigms of excitotoxicity. To obtain optimal neuroprotection, it is imperative to elucidate the prosurvival action of D-JNKI1 and the death pathways that it inhibits. In cortical neuronal cultures, we first investigate the pathways by which NMDA induces JNK activation and show a rapid and selective phosphorylation of mitogen-activated protein kinase kinase 7 (MKK7), whereas the only other known JNK activator, mitogen-activated protein kinase kinase 4 (MKK4), was unaffected. We then analyze the action of D-JNKI1 on four JNK targets containing a JNK-binding domain: MAPK-activating death domain-containing protein/differentially expressed in normal and neoplastic cells (MADD/DENN), MKK7, MKK4 and JNK-interacting protein-1 (IB1/JIP-1).

Characterization of constitutive and putative differentially expressed mRNAs by means of expressed sequence tags, differential display reverse transcriptase-PCR and randomly amplified polymorphic DNA-PCR from the sand fly vector Lutzomyia longipalpis

Molecular studies of insect disease vectors are of paramount importance for understanding parasite-vector relationship. Advances in this area have led to important findings regarding changes in vectors' physiology upon blood feeding and parasite infection. Mechanisms for interfering with the vectorial capacity of insects responsible for the transmission of diseases such as malaria, Chagas disease and dengue fever are being devised with the ultimate goal of developing transgenic insects. A primary necessity for this goal is information on gene expression and control in the target insect. Our group is investigating molecular aspects of the interaction between Leishmania parasites and Lutzomyia sand flies. As an initial step in our studies we have used random sequencing of cDNA clones from two expression libraries made from head/thorax and abdomen of sugar fed L. longipalpis for the identification of expressed sequence tags (EST). We applied differential display reverse transcriptase-PCR and randomly amplified polymorphic DNA-PCR to characterize differentially expressed mRNA from sugar and blood fed insects, and, in one case, from a L. (V.) braziliensis-infected L. longipalpis. We identified 37 cDNAs that have shown homology to known sequences from GeneBank. Of these, 32 cDNAs code for constitutive proteins such as zinc finger protein, glutamine synthetase, G binding protein, ubiquitin conjugating enzyme. Three are putative differentially expressed cDNAs from blood fed and Leishmania-infected midgut, a chitinase, a V-ATPase and a MAP kinase. Finally, two sequences are homologous to Drosophila melanogaster gene products recently discovered through the Drosophila genome initiative.

Histone deacetylase inhibitors impair innate immune responses

SUMMARYThe innate immune system plays a central role in host defenses against invading pathogens. Innate immune cells sense the presence of pathogens through pattern recognition receptors that trigger intracellular signaling, leading to the production of pro-inflammatory mediators like cytokines, which shape innate and adaptive immune responses. Both by excess and by default inflammation may be detrimental to the host. Indeed, severe sepsis and septic shock are lethal complications of infections characterized by a dysregulated inflammatory response.In recent years, members of the superfamily of histone deacetylases have been the focus of great interest. In mammals, histone deacetylases are broadly classified into two main subfamilies comprising histone deacetylases 1-11 (HDAC1-11) and sirtuins 1-7 (SIRT1-7). These enzymes influence gene expression by deacetylating histones and numerous non-histone proteins. Histone deacetylases have been involved in the development of oncologic, metabolic, cardiovascular, neurodegenerative and autoimmune diseases. Pharmacological modulators of histone deacetylase activity, principally inhibitors, have been developed for the treatment of cancer and metabolic diseases. When we initiated this project, several studies suggested that inhibitors of HDAC 1-11 have anti-inflammatory activity. Yet, their influence on innate immune responses was largely uncharacterized. The present study was initiated to fill in this gap.In the first part of this work, we report the first comprehensive study of the effects of HDAC 1- 11 inhibitors on innate immune responses in vitro and in vivo. Strikingly, expression studies revealed that HDAC1-11 inhibitors act essentially as negative regulators of basal and microbial product- induced expression of critical immune receptors and antimicrobial products by mouse and human innate immune cells like macrophages and dendritic cells. Furthermore, we describe a new molecular mechanism whereby HDAC1-11 inhibitors repress pro-inflammatory cytokine expression through the induction of the expression and the activity of the transcriptional repressor Μί-2β. HDAC1-11 inhibitors also impair the potential of macrophages to engulf and kill bacteria. Finally, mice treated with an HDAC inhibitor are more susceptible to non-severe bacterial and fungal infection, but are protected against toxic and septic shock. Altogether these data support the concept that HDAC 1-11 inhibitors have potent anti-inflammatory and immunomodulatory activities in vitro and in vivo.Macrophage migration inhibitory factor (MIF) is a pro-inflammatory cytokine that plays a central role in innate immune responses, cell proliferation and oncogenesis. In the second part of this manuscript, we demonstrate that HDAC1-11 inhibitors inhibit MIF expression in vitro and in vivo and describe a novel molecular mechanism accounting for these effects. We propose that inhibition of MIF expression by HDAC 1-11 inhibitors may contribute to the antitumorigenic and anti-inflammatory effects of these drugs.NAD+ is an essential cofactor of sirtuins activity and one of the major sources of energy within the cells. Therefore, sirtuins link deacetylation to NAD+ metabolism and energy status. In the last part of this thesis, we report preliminary results indicating that a pharmacological inhibitor of SIRT1-2 drastically decreases pro-inflammatory cytokine production (RNA and protein) and interferes with MAP kinase intracellular signal transduction pathway in macrophages. Moreover, administration of the SIRT1-2 inhibitor protects mice from lethal endotoxic shock and septic shock.Overall, our studies demonstrate that inhibitors of HDAC1-11 and sirtuins are powerful anti-inflammatory molecules. Given their profound negative impact on the host antimicrobial defence response, these inhibitors might increase the susceptibility to opportunistic infections, especially in immunocompromised cancer patients. Yet, these inhibitors might be useful to control the inflammatory response in severely ill septic patients or in patients suffering from chronic inflammatory diseases.

Role of the transcriptional factor C/EBPbeta in free fatty acid-elicited beta-cell failure.

Fatty acids can favour the development of Type 2 diabetes by reducing insulin secretion and inducing apoptosis of pancreatic beta-cells. Here, we show that sustained exposure of the beta-cell line MIN6 or of isolated pancreatic islets to the most abundant circulating fatty acid palmitate increases the level of C/EBPbeta, an insulin transcriptional repressor. In contrast, two unsaturated fatty acids, oleate and linoleate were without effect. The induction of C/EBPbeta elicited by palmitate was prevented by inhibiting the ERK1/2 MAP kinase pathway or by reducing mitochondrial fatty acid oxidation with an inhibitor of Carnitine Palmitoyl Transferase-1. Overexpression of C/EBPbeta mimicked the detrimental effects of palmitate and resulted in a drastic reduction in insulin promoter activity, impairment in the capacity to respond to secretory stimuli and an increase in apoptosis. Our data suggest a potential involvement of C/EBPbeta as mediator of the deleterious effects of unsaturated free fatty acids on beta-cell function.

Clinical pharmacogenomic testing of KRAS, BRAF and EGFR mutations by high resolution melting analysis and ultra-deep pyrosequencing

BACKGROUND: Epidermal growth factor receptor (EGFR) and its downstream factors KRAS and BRAF are mutated in several types of cancer, affecting the clinical response to EGFR inhibitors. Mutations in the EGFR kinase domain predict sensitivity to the tyrosine kinase inhibitors gefitinib and erlotinib in lung adenocarcinoma, while activating point mutations in KRAS and BRAF confer resistance to the anti-EGFR monoclonal antibody cetuximab in colorectal cancer. The development of new generation methods for systematic mutation screening of these genes will allow more appropriate therapeutic choices. METHODS: We describe a high resolution melting (HRM) assay for mutation detection in EGFR exons 19-21, KRAS codon 12/13 and BRAF V600 using formalin-fixed paraffin-embedded samples. Somatic variation of KRAS exon 2 was also analysed by massively parallel pyrosequencing of amplicons with the GS Junior 454 platform. RESULTS: We tested 120 routine diagnostic specimens from patients with colorectal or lung cancer. Mutations in KRAS, BRAF and EGFR were observed in 41.9%, 13.0% and 11.1% of the overall samples, respectively, being mutually exclusive. For KRAS, six types of substitutions were detected (17 G12D, 9 G13D, 7 G12C, 2 G12A, 2 G12V, 2 G12S), while V600E accounted for all the BRAF activating mutations. Regarding EGFR, two cases showed exon 19 deletions (delE746-A750 and delE746-T751insA) and another two substitutions in exon 21 (one showed L858R with the resistance mutation T590M in exon 20, and the other had P848L mutation). Consistent with earlier reports, our results show that KRAS and BRAF mutation frequencies in colorectal cancer were 44.3% and 13.0%, respectively, while EGFR mutations were detected in 11.1% of the lung cancer specimens. Ultra-deep amplicon pyrosequencing successfully validated the HRM results and allowed detection and quantitation of KRAS somatic mutations. CONCLUSIONS: HRM is a rapid and sensitive method for moderate-throughput cost-effective screening of oncogene mutations in clinical samples. Rather than Sanger sequence validation, next-generation sequencing technology results in more accurate quantitative results in somatic variation and can be achieved at a higher throughput scale.

Progression from high insulin resistance to type 2 diabetes does not entail additional visceral adipose tissue inflammation.

Obesity is associated with a low-grade chronic inflammation state. As a consequence, adipose tissue expresses pro-inflammatory cytokines that propagate inflammatory responses systemically elsewhere, promoting whole-body insulin resistance and consequential islet β-cell exhaustation. Thus, insulin resistance is considered the early stage of type 2 diabetes. However, there is evidence of obese individuals that never develop diabetes indicating that the mechanisms governing the association between the increase of inflammatory factors and type 2 diabetes are much more complex and deserve further investigation. We studied for the first time the differences in insulin signalling and inflammatory pathways in blood and visceral adipose tissue (VAT) of 20 lean healthy donors and 40 equal morbidly obese (MO) patients classified in high insulin resistance (high IR) degree and diabetes state. We studied the changes in proinflammatory markers and lipid content from serum; macrophage infiltration, mRNA expression of inflammatory cytokines and transcription factors, activation of kinases involved in inflammation and expression of insulin signalling molecules in VAT. VAT comparison of these experimental groups revealed that type 2 diabetic-MO subjects exhibit the same pro-inflammatory profile than the high IR-MO patients, characterized by elevated levels of IL-1β, IL-6, TNFα, JNK1/2, ERK1/2, STAT3 and NFκB. Our work rules out the assumption that the inflammation should be increased in obese people with type 2 diabetes compared to high IR obese. These findings indicate that some mechanisms, other than systemic and VAT inflammation must be involved in the development of type 2 diabetes in obesity.

Function and regulation of the scaffold protein IB1/JIP-1 in the uro-genital tract.

RESUME Ce mémoire de thèse traite de l'étude de la « scaffold »protéine ou protéine «échafaud», « Islet-Brain1/ JNK Interacting Protein 1 » (IB1/JIP-1) dans la vessie et la prostate, deux organes importants de l'appareil uro-genital. Cette protéine, mise en évidence dans notre laboratoire à la fin des année 90, a été reconnue pour réguler la voie de signalisation des « Mitogen-Activated Protein Kinases » (MAPKs), et en particulier de la MAPK appelée c-Jun N-terminal Kinase (JNK). Le réseau de voie de signalisation permet aux cellules de percevoir les changements dans le milieu extracellulaire et de permettre une réponse appropriée à ces différents stimuli. La connaissance des voies de signalisation a permis de mettre en évidence leur rôle crucial tant dans l'homéostase des tissus sains que dans des processus pathologiques comme l'oncogenèse. Parmi une vingtaine de voie de signalisation, la voie de signalisation des «MAPKinases » est une des plus importantes et a été montrée pour participer à diverses fonctions cellulaires telles que la différentiation, la motilité, la division et la mort cellulaire. La voie de signalisation des « MAPKinases » est typiquement constituée d'un module de trois kinases qui s'activent séquentiellement par phosphorylation. On note la présence d'une MAPK, d'un activateur de MAPK et d'un activateur de l'activateur de MAPK. Une fois la MAPK activée, elle permettra la régulation de différentes cibles dont certain facteur de transcription. Chez les mammifères, il existe 3 grands groupes de MAPKs : the extracellular signal-regulated kinase 1 and 2 (ERK 1/2) cascade, qui régule préférentiellement la croissance et la différentiation cellulaire, ainsi que les cascades JNK et p38 qui régulent préférentiellement la réponse à différents stress cellulaires telle que l'inflammation ou l'apoptose. JNK est activé par différents stress cellulaire telle que les cytokines inflammatoires. JNK est également requis au cours du développement embryonnaire et contribue à la mort (apoptose) ou à la prolifération cellulaire. Plusieurs études ont mis en évidence le rôle de JNK durant le processus tumoral, sans que son rôle soit clairement identifié. JNK pourrait avoir des fonctions différentes durant l'initiation puis de la progression tumorale. Chez les mammifères, les voies de signalisation intracellulaires forment un réseau complexe et elles interagissent entre elles, ce qui permet aux cellules une réponse adéquate aux multitudes de stimuli existants dans les organismes pluricellulaires. Parmi plusieurs mécanismes de régulation, les protéines dites « scaffold » ou «échafaud » jouent un rôle crucial dans l'homéostase de la voie de signalisation des «MAPKinase ». L'introduction revoit brièvement ces différents aspects, de la voie de signalisation des «MAPKinase et des connaissance sur IB1/JIP-1. Les premières études effectuées sur IB1/JIP-1 ont montré une expression relativement spécifique de cette protéine dans certains types de neurones ainsi que dans la cellule beta-sécrétrice d'insuline. IB1/JIP-1 régule la voie de signalisation JNK par interaction avec les différents composants du module, modifiant ainsi le spectre de substrats activés par JNK. La fonction précise de IB1/JIP-1 n'était pas encore élucidée, mais plusieurs travaux mettaient en lumière un rôle dans la régulation, et la sous-location cellulaire des composants de la voie de signalisation JNK, ainsi que dans la survie cellulaire à certain stress. Cette expression relativement spécifique est intrigante car elle suggère que sa présence serait nécessaire à une régulation spécifique de la MAPKinase JNK ou à certaines autres fonctions cellulaires également spécifiques de certains tissus. Le premier but de ce travail a consisté à mettre en évidence l'expression de IB1/JIP-1 dans l'appareil uro-génital et plus particulièrement dans la vessie et la prostate. Nos résultats ont montré que IB1/JIP-1 est spécifiquement exprimé au niveau de l'urothélium vésical, mais pas dans le muscle lisse. Il en est de même au niveau de la prostate où IB1/JIP-1 est exprimé spécifiquement au niveau de l'épithélium sécrétoire et absent au niveau du stroma fibro-musculaire. La vessie et la prostate sont des organes ou l'activité JNK pourrait être crucial tant dans l' homeostase tissulaire que dans le développement de pathologies bénignes ou malignes. La vessie et la prostate sont le siège fréquent de tumeur. La base pour le développement du cancer est complexe et implique plusieurs anomalies génétiques. Ce processus complexe lié au développement tumoral est encore loin d`être complètement élucidé, raison pour laquelle il est crucial de poursuivre l'étude des différents gènes pouvant être impliqué dans ces processus ou pouvant être utilisé comme outil thérapeutique. Dans l'urothelium de la vessie, la fonction de la MAPK JNK n'a été que très peu étudiée. Il existe quelques études, in vitro, suggérant une implication possible de cette voie de signalisation dans des processus telle que le développement ou la progression tumorale. Le chapitre 1 décrit une étude in vivo dans la vessie un modèle de stress mécanique, connu pour activer les MAPKinase. La dilatation vésicale, due à une obstruction urétrale, a mis en évidence une diminution de l'expression de IB1/JIP-1 ainsi qu'une activation de la MAPKinase JNK. Dans ce modèle, la régulation de IB1/JIP-1, par l'intermédiaire d'un vecteur viral, a permis de démontrer que IB1/JIP-1 régulait l'activité de JNK dans ce tissu. Pour poursuivre l'étude de cette fonction d' IB1/JIP-1 dans l'urothélium, nous avons investigué l'activité JNK dans des souris génétiquement modifiées et porteuse d'une délétion de 1 des 2 allèles du gène codant pour IB1/JIP-1, avec un contenu en IB1/JIP-1 diminué de moitié. L'activation de JNK est également augmentée dans l'urothelium au repos de ces souris, ce qui confirme la fonction régulatrice de JNK par IB1/JIP-1. Ces résultats ont permis de mettre en évidence un rôle critique de celle-ci dans l'homéostase de I`urothelium et suggère une nouvelle cible pour réguler la voie de signalisation dans ce tissu. En outre, la modulation des niveaux d'expression d'IB1/JIP-1 dans la vessie, in vivo, par l'intermédiaire de vecteurs viraux s'est révélée réalisable et indique un moyen élégant pour développer une thérapie génique dans cet organe. Un autre élément de ce travail de thèse, révélée au chapitre 2, a été d'étudier la régulation dans la vessie de rat de la communication intercellulaire de type « GAP ». Les cellules adjacentes partagent des ions, messagers secondaires et des petits métabolites par l'intermédiaire de canaux intercellulaire qui forment les jonctions de type « GAP ». Ce type de communications intercellulaire permet une activité cellulaire coordonnée, une caractéristique importante pour l'homéostase des organismes multicellulaire. Ce type de communication intercellulaire est formé de 2 demi-canaux appelés connexons. Chaque connexon est formé de six protéines appelées connexins (Cx). Il existe environ vingt connexines différentes nommées par leur poids moléculaire respectif. Les jonctions de type canaux "GAP" permettent aux cellules de communiquer avec les cellules voisines au quelles elles sont mécaniquement ou électriquement couplées. La vessie peut être particulièrement dépendante de la communication intercellulaire par les canaux « Gap » qui permettrait de coordonner la réponse de la musculature ainsi que de l'urothélium à l'augmentation de la pression transmurale du à l'accumulation d'urine, situation fréquemment observée dans le cadre de l'hyperplasie bénigne de la prostate. Dans la vessie de rat, la connexine26 est exprimée uniquement dans l'urothelium. La Cx26, a été montrée pour être un possible « tumor suppressor gene » dans le cancer de vessie. Une augmentation de la Cx26 ainsi que du couplage des cellules urothéliales a été démontré dans notre modèle de stress mécanique sur la vessie de rat et est dépendante de 2 éléments de réponses connues pour interagir avec AP-1. La régulation de IB1/JIP-1 a permis de montrer que celle-ci régulait l'activité JNK, ainsi que l'activité du facteur de transcription AP-1, composé de c-Jun lui-même cible de JNK. Cette réduction de l'activité de AP-1 est associée à une diminution de l'expression du transcipt de la Cx26. En résumé, la Cx26 pourrait être régulée par le complexe AP-1 lui-même dépendant du contenu en IB1/JIP-1. Dans le chapitre 3, l'étude de IB1/J1P-1 s'est portée sur la prostate. Cet organe, siège fréquent de pathologie telle que le cancer ou l'hyperplasie bénigne de la prostate, exprime IB1/JIP-1 au niveau de son épithélium sécrétoire. Cette expression est maintenue dans une lignée cellulaire humaine largement étudiée est reconnue comme un modèle adéquat de cellules tumorales de type androgène-sensible. IB1/JIP-1 a été investigué dans un modèle in vitro d'apoptose en réponse à un agent appelé N-(4-hydroxyphenyl)retinamide (4-HPR) qui induit une activation de la MAPK JNK ainsi que également un diminution du contenu en IB1/JIP-1. La surexpression de IB1/JIP-1 en utilisant à nouveau des virus comme vecteur a démontré que IB1/JIP-1 était capable de réguler l'activité de JNK ainsi que les taux d'apoptose. Dans le cancer de la prostate, certains travaux ont montré que la différentiation neuroendocrine des cellules tumorales est associée à la progression tumorale et à la perte de sensibilité aux androgènes. Ce travail a permis de dévoiler l'augmentation d'expression de IB1/JIP-1 dans un modèle de neurodifferentiation des cellules d'une lignée prostatique humaine (LNCaP). Les mécanismes qui permettent une expression spécifique de IB1/JIP-1 ont été partiellement investiguée dans notre laboratoire. Son promoteur humain contient un « Neuron Restricive Silencer Element » (NRSE) connu pour se lier a répresseur transcriptionel appelé « RE-1 Silencer Transcription Factor » ou « Neuron Restrictive Silencer Factor » (REST/NRSF). NRSF/REST est capable de réprimer l'expression de gènes neuronaux en dehors du système neuronal. Il prend part à la différentiation terminale des gènes neuronaux. Dans le chapitre 3, on observe que l'activité de REST/NRSF est diminuée dans les cellules LNCaP qui se transdifferencient de manière neuroendocrine, et que REST/NRSF est capable de moduler l'expression de ces gènes cibles dans ce type cellulaire. Ces travaux laissent suggérer que NRSF/REST participe à l'acquisition du phénotype neuroendocrinien et pourrait être une cible pour réguler ce phénomène. En conclusion, ce travail de thèse présente l'expression de IB1/JIP-1 dans 2 organes de l'appareil uro-génital ; la vessie et la prostate. La fonction de IB1/JIP-1 a été étudiée in vivo dans la vessie de rat, ce qui a mis en évidence sa fonction régulatrice de l'activité de la MAPKinase JNK, et de l'activité du facteur de transcription AP-1 ; ainsi que sa possible implication régulatrice de gène cible tel que la Connexin 26 (Cx26). AP-1 et la Cx26 pourraient jouer un rôle dans le processus oncologique, tant dans le control de l'invasion cellulaire ou le control de la croissance cellulaire. Dans la prostate, IB1/JIP-1 régule également l'activité JNK; crucial dans la transmission de certains stimulis pro-apoptotiques. Dans un modèle de transdifférenciation neuroendocrinienne, phénotype possiblement lié au caractère agressif du cancer de la prostate, l'expression de IB1/JIP-1 est augmenté, suggérant soit un rôle possible dans le développement du phénotype neuronal ou une implication dans une fonction anti-apoptotique. Ce travail a donc permis d'élargir nos connaissances sur la régulation et le control de la voie de signalisation des MAPKinases par IB1/JIP-1, qui pourrait avoir encore d'autres fonctions dans ces tissus.

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.

Combined vemurafenib and cobimetinib in BRAF-mutated melanoma.

BACKGROUND The combined inhibition of BRAF and MEK is hypothesized to improve clinical outcomes in patients with melanoma by preventing or delaying the onset of resistance observed with BRAF inhibitors alone. This randomized phase 3 study evaluated the combination of the BRAF inhibitor vemurafenib and the MEK inhibitor cobimetinib. METHODS We randomly assigned 495 patients with previously untreated unresectable locally advanced or metastatic BRAF V600 mutation-positive melanoma to receive vemurafenib and cobimetinib (combination group) or vemurafenib and placebo (control group). The primary end point was investigator-assessed progression-free survival. RESULTS The median progression-free survival was 9.9 months in the combination group and 6.2 months in the control group (hazard ratio for death or disease progression, 0.51; 95% confidence interval [CI], 0.39 to 0.68; P<0.001). The rate of complete or partial response in the combination group was 68%, as compared with 45% in the control group (P<0.001), including rates of complete response of 10% in the combination group and 4% in the control group. Progression-free survival as assessed by independent review was similar to investigator-assessed progression-free survival. Interim analyses of overall survival showed 9-month survival rates of 81% (95% CI, 75 to 87) in the combination group and 73% (95% CI, 65 to 80) in the control group. Vemurafenib and cobimetinib was associated with a nonsignificantly higher incidence of adverse events of grade 3 or higher, as compared with vemurafenib and placebo (65% vs. 59%), and there was no significant difference in the rate of study-drug discontinuation. The number of secondary cutaneous cancers decreased with the combination therapy. CONCLUSIONS The addition of cobimetinib to vemurafenib was associated with a significant improvement in progression-free survival among patients with BRAF V600-mutated metastatic melanoma, at the cost of some increase in toxicity. (Funded by F. Hoffmann-La Roche/Genentech; coBRIM ClinicalTrials.gov number, NCT01689519.).

Combined vemurafenib and cobimetinib in BRAF-mutated melanoma.

BACKGROUND The combined inhibition of BRAF and MEK is hypothesized to improve clinical outcomes in patients with melanoma by preventing or delaying the onset of resistance observed with BRAF inhibitors alone. This randomized phase 3 study evaluated the combination of the BRAF inhibitor vemurafenib and the MEK inhibitor cobimetinib. METHODS We randomly assigned 495 patients with previously untreated unresectable locally advanced or metastatic BRAF V600 mutation-positive melanoma to receive vemurafenib and cobimetinib (combination group) or vemurafenib and placebo (control group). The primary end point was investigator-assessed progression-free survival. RESULTS The median progression-free survival was 9.9 months in the combination group and 6.2 months in the control group (hazard ratio for death or disease progression, 0.51; 95% confidence interval [CI], 0.39 to 0.68; P<0.001). The rate of complete or partial response in the combination group was 68%, as compared with 45% in the control group (P<0.001), including rates of complete response of 10% in the combination group and 4% in the control group. Progression-free survival as assessed by independent review was similar to investigator-assessed progression-free survival. Interim analyses of overall survival showed 9-month survival rates of 81% (95% CI, 75 to 87) in the combination group and 73% (95% CI, 65 to 80) in the control group. Vemurafenib and cobimetinib was associated with a nonsignificantly higher incidence of adverse events of grade 3 or higher, as compared with vemurafenib and placebo (65% vs. 59%), and there was no significant difference in the rate of study-drug discontinuation. The number of secondary cutaneous cancers decreased with the combination therapy. CONCLUSIONS The addition of cobimetinib to vemurafenib was associated with a significant improvement in progression-free survival among patients with BRAF V600-mutated metastatic melanoma, at the cost of some increase in toxicity. (Funded by F. Hoffmann-La Roche/Genentech; coBRIM ClinicalTrials.gov number, NCT01689519.).

TRAIL receptor-mediated JNK activation and Bim phosphorylation critically regulate Fas-mediated liver damage and lethality.

TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) is a member of the TNF family with potent apoptosis-inducing properties in tumor cells. In particular, TRAIL strongly synergizes with conventional chemotherapeutic drugs to induce tumor cell death. Thus, TRAIL has been proposed as a promising future cancer therapy. Little, however, is known regarding what the role of TRAIL is in normal untransformed cells and whether therapeutic administration of TRAIL, alone or in combination with other apoptotic triggers, may cause tissue damage. In this study, we investigated the role of TRAIL in Fas-induced (CD95/Apo-1-induced) hepatocyte apoptosis and liver damage. While TRAIL alone failed to induce apoptosis in isolated murine hepatocytes, it strongly amplified Fas-induced cell death. Importantly, endogenous TRAIL was found to critically regulate anti-Fas antibody-induced hepatocyte apoptosis, liver damage, and associated lethality in vivo. TRAIL enhanced anti-Fas-induced hepatocyte apoptosis through the activation of JNK and its downstream substrate, the proapoptotic Bcl-2 homolog Bim. Consistently, TRAIL- and Bim-deficient mice and wild-type mice treated with a JNK inhibitor were protected against anti-Fas-induced liver damage. We conclude that TRAIL and Bim are important response modifiers of hepatocyte apoptosis and identify liver damage and lethality as a possible risk of TRAIL-based tumor therapy.

The alpha(1A/C)- and alpha(1B)-adrenergic receptors are required for physiological cardiac hypertrophy in the double-knockout mouse.

Catecholamines and alpha(1)-adrenergic receptors (alpha(1)-ARs) cause cardiac hypertrophy in cultured myocytes and transgenic mice, but heart size is normal in single KOs of the main alpha(1)-AR subtypes, alpha(1A/C) and alpha(1B). Here we tested whether alpha(1)-ARs are required for developmental cardiac hypertrophy by generating alpha(1A/C) and alpha(1B) double KO (ABKO) mice, which had no cardiac alpha(1)-AR binding. In male ABKO mice, heart growth after weaning was 40% less than in WT, and the smaller heart was due to smaller myocytes. Body and other organ weights were unchanged, indicating a specific effect on the heart. Blood pressure in ABKO mice was the same as in WT, showing that the smaller heart was not due to decreased load. Contractile function was normal by echocardiography in awake mice, but the smaller heart and a slower heart rate reduced cardiac output. alpha(1)-AR stimulation did not activate extracellular signal-regulated kinase (Erk) and downstream kinases in ABKO myocytes, and basal Erk activity was lower in the intact ABKO heart. In female ABKO mice, heart size was normal, even after ovariectomy. Male ABKO mice had reduced exercise capacity and increased mortality with pressure overload. Thus, alpha(1)-ARs in male mice are required for the physiological hypertrophy of normal postnatal cardiac development and for an adaptive response to cardiac stress.

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Neuroinflammation is observed in many brain pathologies: in neurodegenerative diseases and multiple sclerosis as well as in chemically induced lesions. It is characterized by the reactivity of microglial cells and astrocytes, activation of inducible NO-synthase (i-NOS), and increased expression and/or release of cytokines and chemokines. Clearly, cell-to-cell signaling between the different brain cell types plays an important role in the initiation and propagation of neuroinflammation, but despite the growing list of known molecular actors, the underlying pathways and the sequence of events remain to be fully elucidated. The present chapter presents an example of how to assess neuroinflammation in complex brain tissues, using aggregating brain cell cultures as an in vitro model. This three-dimensional cell culture system provides optimal cell-to-cell interactions crucial for histotypic cellular maturation and control of neuroinflammatory processes. The techniques described here comprise immunocytochemistry to assess the reactivity of microglia and astrocytes and the expression of cytokines; quantitative RT-PCR to measure the mRNA expression of cytokines (TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-1ra, TGF-β, IL-15, IFN-γ), chemokines (ccl5, cxcl1, cxcl2), and i-NOS; and immunoblotting to assess MAP kinase pathway activation (phosphorylation of p38 and p44/42 MAP kinases).