The Alternative Epac/cAMP Pathway and the MAPK Pathway Mediate hCG Induction of Leptin in Placental Cells

Pleiotropic effects of leptin have been identified in reproduction and pregnancy, particularly in the placenta, where it works as an autocrine hormone. In this work, we demonstrated that human chorionic gonadotropin (hCG) added to JEG-3 cell line or to placental explants induces endogenous leptin expression. We also found that hCG increased cAMP intracellular levels in BeWo cells in a dose-dependent manner, stimulated cAMP response element (CRE) activity and the cotransfection with an expression plasmid of a dominant negative mutant of CREB caused a significant inhibition of hCG stimulation of leptin promoter activity. These results demonstrate that hCG indeed activates cAMP/PKA pathway, and that this pathway is involved in leptin expression. Nevertheless, we found leptin induction by hCG is dependent on cAMP levels. Treatment with (Bu)(2)cAMP in combination with low and non stimulatory hCG concentrations led to an increase in leptin expression, whereas stimulatory concentrations showed the opposite effect. We found that specific PKA inhibition by H89 caused a significant increase of hCG leptin induction, suggesting that probably high cAMP levels might inhibit hCG effect. It was found that hCG enhancement of leptin mRNA expression involved the MAPK pathway. In this work, we demonstrated that hCG leptin induction through the MAPK signaling pathway is inhibited by PKA. We observed that ERK1/2 phosphorylation increased when hCG treatment was combined with H89. In view of these results, the involvement of the alternative cAMP/Epac signaling pathway was studied. We observed that a cAMP analogue that specifically activates Epac (CPT-OMe) stimulated leptin expression by hCG. In addition, the overexpression of Epac and Rap1 proteins increased leptin promoter activity and enhanced hCG. In conclusion, we provide evidence suggesting that hCG induction of leptin gene expression in placenta is mediated not only by activation of the MAPK signaling pathway but also by the alternative cAMP/Epac signaling pathway.

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.

Whole genome analysis of p38 SAPK-mediated gene expression upon stress

Background: Cells have the ability to respond and adapt to environmental changes through activation of stress-activated protein kinases (SAPKs). Although p38 SAPK signalling is known to participate in the regulation of gene expression little is known on the molecular mechanisms used by this SAPK to regulate stress-responsive genes and the overall set of genes regulated by p38 in response to different stimuli.Results: Here, we report a whole genome expression analyses on mouse embryonic fibroblasts (MEFs) treated with three different p38 SAPK activating-stimuli, namely osmostress, the cytokine TNFα and the protein synthesis inhibitor anisomycin. We have found that the activation kinetics of p38α SAPK in response to these insults is different and also leads to a complex gene pattern response specific for a given stress with a restricted set of overlapping genes. In addition, we have analysed the contribution of p38α the major p38 family member present in MEFs, to the overall stress-induced transcriptional response by using both a chemical inhibitor (SB203580) and p38α deficient (p38α-/-) MEFs. We show here that p38 SAPK dependency ranged between 60% and 88% depending on the treatments and that there is a very good overlap between the inhibitor treatment and the ko cells. Furthermore, we have found that the dependency of SAPK varies depending on the time the cells are subjected to osmostress. Conclusions: Our genome-wide transcriptional analyses shows a selective response to specific stimuli and a restricted common response of up to 20% of the stress up-regulated early genes that involves an important set of transcription factors, which might be critical for either cell adaptation or preparation for continuous extra-cellular changes. Interestingly, up to 85% of the up-regulated genes are under the transcriptional control of p38 SAPK. Thus, activation of p38 SAPK is critical to elicit the early gene expression program required for cell adaptation to stress.

Myostatin augments muscle-specific ring finger protein-1 expression through an NF-kB independent mechanism in SMAD3 null muscle.

Smad (Sma and Mad-related protein) 2/3 are downstream signaling molecules for TGF-β and myostatin (Mstn). Recently, Mstn was shown to induce reactive oxygen species (ROS) in skeletal muscle via canonical Smad3, nuclear factor-κB, and TNF-α pathway. However, mice lacking Smad3 display skeletal muscle atrophy due to increased Mstn levels. Hence, our aims were first to investigate whether Mstn induced muscle atrophy in Smad3(-/-) mice by increasing ROS and second to delineate Smad3-independent signaling mechanism for Mstn-induced ROS. Herein we show that Smad3(-/-) mice have increased ROS levels in skeletal muscle, and inactivation of Mstn in these mice partially ablates the oxidative stress. Furthermore, ROS induction by Mstn in Smad3(-/-) muscle was not via nuclear factor-κB (p65) signaling but due to activated p38, ERK MAPK signaling and enhanced IL-6 levels. Consequently, TNF-α, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase, and xanthine oxidase levels were up-regulated, which led to an increase in ROS production in Smad3(-/-) skeletal muscle. The exaggerated ROS in the Smad3(-/-) muscle potentiated binding of C/EBP homology protein transcription factor to MuRF1 promoter, resulting in enhanced MuRF1 levels leading to muscle atrophy.

ERK1/2 pathway is activated in degenerated Rpe65-deficient mice.

The MAPK family is composed of three majors kinases, JNK, p38 and ERK1/2, and is implicated in many degenerative processes, including retinal cell death. The purpose of our study was to evaluate the activation of ERK1/2 kinase, and its potential role in Müller cell gliosis, during photoreceptor cell death in Rpe65(-/-) mice. We assayed ERK1/2 mRNA and protein levels, and evaluated ERK1/2 phosphorylation involved in kinase activation, in 2, 4 and 6 month-old Rpe65(-/-) mice and in age-matched wild-type controls. No differences in ERK1/2 expression were detected between Rpe65(-/-) and wild-type mice, however, ERK1/2 phosphorylation was dramatically increased in the knock out mice at 4 and 6 months-of-age. Phosphorylated ERK1/2 co-localized with GFAP in the ganglion cell layer, and correlated with an increase in GFAP protein expression and retinal cell death. Accumulation of cFOS protein in the ganglion cell layer occurred concomitant with pERK1/2 activation. Müller cell proliferation was not observed. ERK1/2 activation did not occur in 2 month-old Rpe65(-/-) or in the Rpe65(-/-)/Gnat1(-/-) mice, in which no degeneration was evident. The observed activation ERK1/2 and GFAP, both markers of Müller cell gliosis, in the absence of Müller cell proliferation, is consistent with the activation of atypical gliosis occurring during the slow process of degeneration in Rpe65(-/-) mice. As Müller cell gliosis is activated in many neuronal and retinal degenerative diseases, further studies will be needed to determine whether atypical gliosis in Rpe65(-/-) mice contributes to, or protects against, the pathogenesis occurring in this model of Leber congenital amaurosis.

Angiotensin II-induced cardiac hypertrophy is associated with different mitogen-activated protein kinase activation in normotensive and hypertensive mice.

OBJECTIVE: In addition to its haemodynamic effects, angiotensin II (AngII) is thought to contribute to the development of cardiac hypertrophy via its growth factor properties. The activation of mitogen-activated protein kinases (MAPK) is crucial for stimulating cardiac growth. Therefore, the present study aimed to determine whether the trophic effects of AngII and the AngII-induced haemodynamic load were associated with specific cardiac MAPK pathways during the development of hypertrophy. Methods The activation of the extracellular-signal-regulated kinase (ERK), the c-jun N-terminal kinase (JNK) and the p38 kinase was followed in the heart of normotensive and hypertensive transgenic mice with AngII-mediated cardiac hypertrophy. Secondly, we used physiological models of AngII-dependent and AngII-independent renovascular hypertension to study the activation of cardiac MAPK pathways during the development of hypertrophy. RESULTS: In normotensive transgenic animals with AngII-induced cardiac hypertrophy, p38 activation is associated with the development of hypertrophy while ERK and JNK are modestly stimulated. In hypertensive transgenic mice, further activation of ERK and JNK is observed. Moreover, in the AngII-independent model of renovascular hypertension and cardiac hypertrophy, p38 is not activated while ERK and JNK are strongly stimulated. In contrast, in the AngII-dependent model, all three kinases are stimulated. CONCLUSIONS: These data suggest that p38 activation is preferentially associated with the direct effects of AngII on cardiac cells, whereas stimulation of ERK and JNK occurs in association with AngII-induced mechanical stress.

Hypoxie-ischémie cérébrale néonatale : rôle de la voie de JNK et implication de l'autophagie dans la mort neuronale

Résumé : Malgré les immenses progrès réalisés depuis plusieurs années en médecine obstétricale ainsi qu'en réanimation néonatale et en recherche expérimentale, l'asphyxie périnatale, une situation de manque d'oxygène autour du moment de la naissance, reste une cause majeure de mortalité et de morbidité neurologique à long terme chez l'enfant (retard mental, paralysie cérébrale, épilepsie, problèmes d'apprentissages) sans toutefois de traitement pharmacologique réel. La nécessité de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour les complications de l'asphyxie périnatale est donc aujourd'hui encore essentielle. Le but général de ce travail est l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques impliquées dans des mécanismes moléculaires pathologiques induits par l'hypoxie-ischémie (HI) dans le cerveau immature. Pour cela, le modèle d'asphyxie périnatale (proche du terme) le plus reconnu chez le rongeur a été développé (modèle de Rice et Vannucci). Il consiste en la ligature permanente d'une artère carotide commune (ischémie) chez le raton de 7 jours combinée à une période d'hypoxie à 8% d'oxygène. Il permet ainsi d'étudier les lésions de type hypoxique-ischémique dans différentes régions cérébrales dont le cortex, l'hippocampe, le striatum et le thalamus. La première partie de ce travail a abordé le rôle de deux voies de MAPK, JNK et p38, après HI néonatale chez le raton à l'aide de peptides inhibiteurs. Tout d'abord, nous avons démontré que D-JNKI1, un peptide inhibiteur de la voie de JNK présentant de fortes propriétés neuroprotectrices dans des modèles d'ischémie cérébrale adulte ainsi que chez le jeune raton, peut intervenir sur différentes voies de mort dont l'activation des calpaïnes (marqueur de la nécrose précoce), l'activation de la caspase-3 (marqueur de l'apoptose) et l'expression de LC3-II (marqueur de macroautophagie). Malgré ces effets positifs le traitement au D-JNKI1 ne modifie pas l'étendue de la lésion cérébrale. L'action limitée de D-JNKI1 peut s'expliquer par une implication modérée des JNKs (faiblement activées et principalement l'isotype JNK3) après HI néonatale sévère. Au contraire, l'inhibition de la voie de nNOS/p38 par le peptide DTAT-GESV permet une augmentation de 20% du volume du tissu sain à court et long terme. Le second projet a étudié les effets de l'HI néonatale sur l'autophagie neuronale. En effet, l'autophagie est un processus catabolique essentiel au bien-être de la cellule. Le type principal d'autophagie (« macroautophagie » , que nous appellerons par la suite « autophagie ») consiste en la séquestration d'éléments à dégrader (protéines ou organelles déficients) dans un compartiment spécialisé, l'autophagosome, qui fusionne avec un lysosome pour former un autolysosome où le contenu est dégradé par les hydrolases lysosomales. Depuis peu, l'excès ou la dérégulation de l'autoptiagie a pu être impliqué dans la mort cellulaire en certaines conditions de stress. Ce travail démontre que l'HI néonatale chez le raton active fortement le flux autophagique, c'est-à-dire augmente la formation des autophagosomes et des autolysosomes, dans les neurones en souffrance. De plus, la relation entre l'autophagie et l'apoptose varie selon la région cérébrale. En effet, alors que dans le cortex les neurones en voie de mort présentent des caractéristiques mixtes apoptotiques et autophagiques, ceux du CA3 sont essentiellement autophagiques et ceux du CA1 sont principalement apoptotiques. L'induction de l'autophagie après HI néonatale semble donc participer à la mort neuronale soit par l'enclenchement de l'apoptose soit comme mécanisme de mort en soi. Afin de comprendre la relation pouvant exister entre autophagie et apoptase un troisième projet a été réalisé sur des cultures primaires de neurones corticaux exposés à un stimulus apoptotique classique, la staurosporine (STS). Nous avons démontré que l'apoptose induite par la STS était précédée et accompagnée par une forte activation du flux autophagique neuronal. L'inhibition de l'autophagie de manière pharmacologique (3-MA) ou plus spécifiquement par ARNs d'interférence dirigés contre deux protéines autophagiques importantes (Atg7 et Atg5) a permis de mettre en évidence des rôles multiples de l'autophagie dans la mort neuronale. En effet, l'autophagie prend non seulement part à une voie de mort parallèle à l'apoptose pouvant être impliquée dans l'activation des calpaïnes, mais est également partiellement responsable de l'induction des voies apoptotiques (activation de la caspase-3 et translocation nucléaire d'AIF). En conclusion, ce travail a montré que l'inhibition de JNK par D-JNKI1 n'est pas un outil neuroprotecteur efficace pour diminuer la mort neuronale provoquée par l'asphyxie périnatalé sévère, et met en lumière deux autres voies thérapeutiques beaucoup plus prometteuses, l'inhibition de nNOS/p38 ou de l'autophagie. ABSTRACT : Despite enormous progress over the last«decades in obstetrical and neonatal medicine and experimental research, perinatal asphyxia, a situation of lack of oxygen around the time of the birth, remains a major cause of mortality and long term neurological morbidity in children (mental retardation, cerebral palsy, epilepsy, learning difficulties) without any effective treatment. It is therefore essential to develop new therapeutic strategies for the complications of perinatal asphyxia. The overall aim of this work was to identify new therapeutic targets involved in pathological molecular mechanisms induced by hypoxia-ischemia (HI) in the immature brain. For this purpose, the most relevant model of perinatal asphyxia (near term) in rodents has been developed (model of Rice and Vannucci). It consists in the permanent ligation of one common carotid artery (ischemia) in the 7-day-old rat combined with a period of hypoxia at 8% oxygen. This model allows the study of the hypoxic-ischemic lesion in different brain regions including the cortex, hippocampus, striatum and thalamus. The first part of this work addressed the role of two MAPK pathways (JNK and p38) after rat neonatal HI using inhibitory peptides. First, we demonstrated that D-JNKI1, a JNK peptide inhibitor presenting strong neuroprotective properties in models of cerebral ischemia in adult and young rats, could affect different cell death mechanisms including the activation of calpain (a marker of necrosis) and caspase-3 (a marker of apoptosis), and the expression of LC3-II (a marker of macroautophagy). Despite these positive effects, D-JNKI1 did not modify the extent of brain damage. The limited action of D-JNKI1 can be explained by the fact that JNKs were only moderately involved (weakly activated and principally the JNK3 isotype) after severe neonatal HI. In contrast, inhibition of nNOS/p38 by the peptide D-TAT-GESV increased the surviving tissue volume by around 20% at short and long term. The second project investigated the effects of neonatal HI on neuronal autophagy. Indeed, autophagy is a catabolic process essential to the well-being of the cell. The principal type of autophagy ("macroautophagy", that we shall henceforth call "autophagy") involves the sequestration of elements to be degraded (deficient proteins or organelles) in a specialized compartment, the autophagosome, which fuses with a lysosome to form an autolysosome where the content is degraded by lysosomal hydrolases. Recently, an excess or deregulation of autophagy has been implicated in cell death in some stress conditions. The present study demonstrated that rat neonatal HI highly enhanced autophagic flux, i.e. increased autophagosome and autolysosome formation, in stressed neurons. Moreover, the relationship between autophagy and apoptosis varies according to the brain region. Indeed, whereas dying neurons in the cortex exhibited mixed features of apoptosis and autophagy, those in CA3 were primarily autophagíc and those in CA1 were mainly apoptotic. The induction of autophagy after neonatal HI seems to participate in neuronal death either by triggering apoptosis or as a death mechanism per se. To understand the relationships that may exist between autophagy and apoptosis, a third project has been conducted using primary cortical neuronal cultures exposed to a classical apoptotic stimulus, staurosporine (STS). We demonstrated that STS-induced apoptosis was preceded and accompanied by a strong activation of neuronal autophagic flux. Inhibition of autophagy pharmacologically (3-MA) or more specifically by RNA interference directed against two important autophagic proteins (Atg7 and AtgS) showed multiple roles of autophagy in neuronal death. Indeed, autophagy was not only involved in a death pathway parallel to apoptosis possibly involved in the activation of calpains, but was also partially responsible for the induction of apoptotic pathways (caspase-3 activation and AIF nuclear translocation). In conclusion, this study showed that JNK inhibition by D-JNKI1 is not an effective neuroprotective tool for decreasing neuronal death following severe perinatal asphyxia, but highlighted two more promising therapeutic approaches, inhibition of the nNOSlp38 pathway or of autophagy.

The inhibition of MAPK potentiates the anti-angiogenic efficacy of mTOR inhibitors.

The mammalian target of rapamycin (mTOR) which is part of two functionally distinct complexes, mTORC1 and mTORC2, plays an important role in vascular endothelial cells. Indeed, the inhibition of mTOR with an allosteric inhibitor such as rapamycin reduces the growth of endothelial cell in vitro and inhibits angiogenesis in vivo. Recent studies have shown that blocking mTOR results in the activation of other prosurvival signals such as Akt or MAPK which counteract the growth inhibitory properties of mTOR inhibitors. However, little is known about the interactions between mTOR and MAPK in endothelial cells and their relevance to angiogenesis. Here we found that blocking mTOR with ATP-competitive inhibitors of mTOR or with rapamycin induced the activation of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) in endothelial cells. Downregulation of mTORC1 but not mTORC2 had similar effects showing that the inhibition of mTORC1 is responsible for the activation of MAPK. Treatment of endothelial cells with mTOR inhibitors in combination with MAPK inhibitors reduced endothelial cell survival, proliferation, migration and tube formation more significantly than either inhibition alone. Similarly, in a tumor xenograft model, the anti-angiogenic efficacy of mTOR inhibitors was enhanced by the pharmacological blockade of MAPK. Taken together these results show that blocking mTORC1 in endothelial cells activates MAPK and that a combined inhibition of MAPK and mTOR has additive anti-angiogenic effects. They also provide a rationale to target both mTOR and MAPK simultaneously in anti-angiogenic treatment.

A selective nociceptive block is not sufficient to prevent central changes after peripheral nerve injury

Background: Providing analgesia without suppressing motor or sensory function is a challenge for regional anesthesia and postoperative pain management. Resiniferatoxin (RTX), an ultrapotent agonist for transient receptor potential subtype-1 (TRPV1) can produce this selective blockade, as TRPV1 is selectively expressed on nociceptors. Futhermore, after peripheral nerve injury, spontaneous ectopic activity arises from all types of nerve fibers that can affect spinal neurons and glial cells. The goal of the present experiment is to determine whether spontaneous activity generated in C-fibers or in both A&C-fibers is required for microglia activation. Method: We applied RTX (0.01%) or bupivacaine microspheres to the sciatic nerve of rats to block the conduction of C-fibers or A&C-fibers, respectively, before spared nerve injury (SNI). Behavior was tested and all the rats were sacrificed 2 days later; immunohistochemistry was performed on their spinal cord for mitogen-activated protein kinase (MAPK) p38, bromodeoxyuridine (BrdU, marker of proliferation) and Iba1 (microglial marker). Result: At day 2 after SNI robust mechanical allodynia and p38 activation in spinal microglia were documented. There was also a substantial cell proliferation in the spinal cord, all proliferating cells (BrdU+) being microglia (Iba1+). RTX blocked heat sensitivity and produced heat hypoalgesia without affecting mechanical allodynia and motor function. Microglial proliferation and p38 activation in the spinal cord were not affected by RTX (p >0.05). In contrast, a complete sensory and motor blockade was seen with bupivacaine which also significantly inhibited p38 activation and microglial proliferation in the spinal cord (p <0.05). Conclusion: We conclude that (1) RTX can provide a selective nociceptive blockade but that (2) blocking only nociceptive fibers does not impair the development of mechanical allodynia and microglia activation. Therefore (3) if microglia activation is important for chronic pain development then specific nociceptive blockade won't be sufficient to prevent it.

Calmodulin Regulates Intracellular Trafficking of Epidermal Growth Factor Receptor and the MAPK Signaling Pathway

The epidermal growth factor receptor (EGFR) is a member of the tyrosine kinase receptor family involved in signal transduction and the regulation of cellular proliferation and differentiation. It is also a calmodulin-binding protein. To examine the role of calmodulin in the regulation of EGFR, the effect of calmodulin antagonist, W-13, on the intracellular trafficking of EGFR and the MAPK signaling pathway was analyzed. W-13 did not alter the internalization of EGFR but inhibited its recycling and degradation, thus causing the accumulation of EGF and EGFR in enlarged early endosomal structures. In addition, we demonstrated that W-13 stimulated the tyrosine phosphorylation of EGFR and consequent recruitment of Shc adaptor protein with EGFR, presumably through inhibition of the calmodulin-dependent protein kinase II (CaM kinase II). W-13¿mediated EGFR phosphorylation was blocked by metalloprotease inhibitor, BB94, indicating a possible involvement of shedding in this process. However, MAPK activity was decreased by W-13; dissection of this signaling pathway showed that W-13 specifically interferes with Raf-1 activity. These data are consistent with the regulation of EGFR by calmodulin at several steps of the receptor signaling and trafficking pathways.

Ammonia-induced toxicity in developing brain cells and strategies for neuroprotection

RESUME L'hyperammonémie est particulièrement toxique pour le cerveau des jeunes patients et entraîne une atrophie corticale, un élargissement des ventricules et des défauts de myélinisation, responsables de retards mentaux et développementaux. Les traitements actuels se limitent à diminuer le plus rapidement possible le taux d'ammoniaque dans l'organisme. L'utilisation de traitements neuroprotecteurs pendant les crises d'hyperammonémie permettrait de contrecarrer les effets neurologiques de l'ammoniaque et de prévenir l'apparition des troubles neurologiques. Au cours de cette thèse, nous avons testé trois stratégies de neuroprotection sur des cultures de cellules en agrégats issues du cortex d'embryons de rats et traitées à l'ammoniaque. - Nous avons tout d'abord testé si l'inhibition de protéines intracellulaires impliquées dans le déclenchement de la mort cellulaire pouvait protéger les cellules de la toxicité de l'ammoniaque. Nous avons montré que L'exposition à l'ammoniaque altérait la viabilité des neurones et des oligodendrocytes, et activait les caspases, la calpaïne et la kinase-5 dépendante des cyclines (cdk5) associée à son activateur p25. Alors que l'inhibition pharmacologique des caspases et de la calpaïne n'a pas permis de protéger les cellules cérébrales, un inhibiteur de la cdk5, appelé roscovitine, a réduit significativement la mort neuronale. L'inhibition de la cdk5 semble donc être une stratégie thérapeutique prometteuse pour prévenir 1es effets toxiques de 1'ammoniaque sur les neurones. - Nous avons ensuite étudié les mécanismes neuroprotecteurs déclenchés par le cerveau en réponse à la toxicité de l'ammoniaque. Nous avons montré que l'ammoniaque induisait la synthèse du facteur neurotrophique ciliaire (CNTF) par les astrocytes, via l'activation de la protéine kinase (MIAPK) p38. D'autre part, l'ajout de CNTF a permis de protéger les oligodendrocytes mais pas les neurones des cultures exposées à l'ammoniaque, via les voies de signalisations JAK/STAT, SAPK/JNK et c-jun. - Dans une dernière partie, nous avons voulu contrecarrer, par l'ajout de créatine, le déficit énergétique cérébral induit par l'ammoniaque. La créatine a permis de protéger des cellules de type astrocytaire mais pas les cellules cérébrales en agrégats. Cette thèse amis en évidence que les stratégies de neuroprotection chez les patients hyperammonémiques nécessiteront de cibler plusieurs voies de signalisation afin de protéger tous les types cellulaires du cerveau. Summary : In pediatric patients, hyperammonemia is mainly caused by urea cycle disorders or other inborn errors of metabolism, and leads to neurological injury with cortical atrophy, ventricular enlargement and demyelination. Children rescued from neonatal hyperammonemia show significant risk of mental retardation and developmental disabilities. The mainstay of therapy is limited to ammonia lowering through dietary restriction and alternative pathway treatments. However, the possibility of using treatments in a neuroprotective goal may be useful to improve the neurological outcome of patients. Thus, the main objective of this work was to investigate intracellular and extracellular signaling pathways altered by ammonia tonicity, so as to identify new potential therapeutic targets. Experiments were conducted in reaggregated developing brain cell cultures exposed to ammonia, as a model for the developing CNS of hyperammonemic young patients. Theses strategies of neuroprotection were tested: - The first strategy consisted in inhibiting intracellular proteins triggering cell death. Our data indicated that ammonia exposure altered the viability of neurons and oligodendrocytes. Apoptosis and proteins involved in the trigger of apoptosis, such as caspases, calpain and cyclin-dependent kinase-5 (cdk5) with its activator p25, were activated by ammonia exposure. While caspases and calpain inhibitors exhibited no protective effects, roscovitine, a cdk5 inhibitor, reduced ammonia-induced neuronal death. This work revealed that inhibition of cdk5 seems a promising strategy to prevent the toxic effects of ammonia on neurons. - The second strategy consisted in mimicking, the endogenous protective mechanisms triggered by ammonia in the brain. Ammonia exposure caused an increase of the ciliary neurotrophic factor (CNTF) expression, through the activation of the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) in astrocytes. Treatment of cultures exposed to ammonia with exogenous CNTF demonstrated strong protective effects on oligodendrocytes but not on neurons. These protective effects seemed to involve JAK/STAT, SAPK/JNK and c-jun proteins. - The third strategy consisted in preventing the ammonia-induced cerebral energy deficit with creatine. Creatine treatment protected the survival of astrocyte-like cells through MAPKs pathways. In contrast, it had no protective effects in reaggregated developing brain cell cultures exposed to ammonia. The present study suggests that neuroprotective strategies should optimally be directed at multiple targets to prevent ammonia-induced alterations of the different brain cell types.

c-Jun N-terminal kinase binding domain-dependent phosphorylation of mitogen-activated protein kinase kinase 4 and mitogen-activated protein kinase kinase 7 and balancing cross-talk between c-Jun N-terminal kinase and extracellular signal-regulated kinase pathways in cortical neurons

The c-Jun N-terminal kinase (JNK) is a mitogen-activated protein kinase (MAPK) activated by stress-signals and involved in many different diseases. Previous results proved the powerful effect of the cell permeable peptide inhibitor d-JNKI1 (d-retro-inverso form of c-Jun N-terminal kinase-inhibitor) against neuronal death in CNS diseases, but the precise features of this neuroprotection remain unclear. We here performed cell-free and in vitro experiments for a deeper characterization of d-JNKI1 features in physiological conditions. This peptide works by preventing JNK interaction with its c-Jun N-terminal kinase-binding domain (JBD) dependent targets. We here focused on the two JNK upstream MAPKKs, mitogen-activated protein kinase kinase 4 (MKK4) and mitogen-activated protein kinase kinase 7 (MKK7), because they contain a JBD homology domain. We proved that d-JNKI1 prevents MKK4 and MKK7 activity in cell-free and in vitro experiments: these MAPKK could be considered not only activators but also substrates of JNK. This means that d-JNKI1 can interrupt downstream but also upstream events along the JNK cascade, highlighting a new remarkable feature of this peptide. We also showed the lack of any direct effect of the peptide on p38, MEK1, and extracellular signal-regulated kinase (ERK) in cell free, while in rat primary cortical neurons JNK inhibition activates the MEK1-ERK-Ets1/c-Fos cascade. JNK inhibition induces a compensatory effect and leads to ERK activation via MEK1, resulting in an activation of the survival pathway-(MEK1/ERK) as a consequence of the death pathway-(JNK) inhibition. This study should hold as an important step to clarify the strong neuroprotective effect of d-JNKI1.

A-Kinase Anchoring Protein Lbc Coordinates a p38 Activating Signaling Complex Controlling Compensatory Cardiac Hypertrophy.

In response to stress, the heart undergoes a remodeling process associated with cardiac hypertrophy that eventually leads to heart failure. A-kinase anchoring proteins (AKAPs) have been shown to coordinate numerous prohypertrophic signaling pathways in cultured cardiomyocytes. However, it remains to be established whether AKAP-based signaling complexes control cardiac hypertrophy and remodeling in vivo. In the current study, we show that AKAP-Lbc assembles a signaling complex composed of the kinases PKN, MLTK, MKK3, and p38α that mediates the activation of p38 in cardiomyocytes in response to stress signals. To address the role of this complex in cardiac remodeling, we generated transgenic mice displaying cardiomyocyte-specific overexpression of a molecular inhibitor of the interaction between AKAP-Lbc and the p38-activating module. Our results indicate that disruption of the AKAP-Lbc/p38 signaling complex inhibits compensatory cardiomyocyte hypertrophy in response to aortic banding-induced pressure overload and promotes early cardiac dysfunction associated with increased myocardial apoptosis, stress gene activation, and ventricular dilation. Attenuation of hypertrophy results from a reduced protein synthesis capacity, as indicated by decreased phosphorylation of 4E-binding protein 1 and ribosomal protein S6. These results indicate that AKAP-Lbc enhances p38-mediated hypertrophic signaling in the heart in response to abrupt increases in the afterload.

The function of a new regulator of epidermal differentiation, HOP, and pathomechanisms underlying epidermolytic hyperkeratosis

The process of epidermal differentiation involves proliferation, differentiation, migration and maturation of keratinocytes to form an impermeable barrier against water loss and outside environment. It is controlled by highly balanced regulatory machinery, involving many molecules that are still under investigation.Homeobox proteins are involved in body patterning and morphogenesis of organs and are studied as potentially good candidates to regulate this process. In the first project we investigated the role of a protein named HOP which belongs to a group of homeobox proteins. Even if HOP is a small protein almost completely composed of the homeodomain and without DNA binding capacity, it is considered as transcriptional regulator in different tissues. HOP interacts with serum response factor (SRF) and histone deacetylase type 2 (HDAC2). By microarray analysis we found that HOP expression increases in cultured human primary keratinocytes (NHK) which undergo calcium-induced differentiation. HOP protein was localized in granular layer of the epidermis of healthy individuals. Lack of HOP was demonstrated in psoriatic lesions, whereas a strong expression was demonstrated in the lesional skin of patients affected with lichen planus (LP). Since LP is characterized by hypergranulosis while psoriatic lesions by progressive lack of the granular layer, the obtained data indicated that HOP might have a potential function in granular layer of epidermis. To investigate HOP function, we inhibited its expression by using HOP specific StealthRNAi and we overexpressed HOP using lentiviral vectors in differentiating NHK. The conclusion of both experiments indicated that HOP positively regulates the expression of late differentiation markers, such as profilaggrin, loricrin and transglutaminase 1. The in vitro data were next confirmed in vivo using HOP knockout mouse model.The second part of my study involved analysis of mechanisms underlying the pathogenesis of epidermolytic hyperkeratosis (EHK). EHK is a genetic disorder characterized by erythema, skin blistering, keratinocyte hyperproliferation and hyperkeratosis. EHK is caused by mutations in keratin 1 or 10 (K1, K10) which are major structural proteins of differentiated keratinocytes and participate in the cellular scaffold formation. To investigate how the structural proteins carrying mutations alter cellular signaling, we established an in vitro model for EHK by overexpression of one of the most common K10 mutations reported so far (K10R156H), in primary human keratinocytes. In order to mimic the in vivo situation, mutated keratinocytes growing on silicone membranes were subjected to mechanical stretch. We observed strong collapse of KIF in K10R156H keratinocytes when subjected to stretch for 30 minutes. Our data demonstrated stronger activation of p38, a member of MAPK stress signaling pathways, in K10R156H when compared to control cells. We demonstrated also that K10R156H keratinocytes showed an induction of TNF-α and RANTES release in response to stretch.Taken together these studies characterize a novel regulator of epidermal differentiation - HOP and demonstrate new aspects implicated in the pathogenesis of EHK.

Temporal quantification of MAPK induced expression in single yeast cells.

The quantification of gene expression at the single cell level uncovers novel regulatory mechanisms obscured in measurements performed at the population level. Two methods based on microscopy and flow cytometry are presented to demonstrate how such data can be acquired. The expression of a fluorescent reporter induced upon activation of the high osmolarity glycerol MAPK pathway in yeast is used as an example. The specific advantages of each method are highlighted. Flow cytometry measures a large number of cells (10,000) and provides a direct measure of the dynamics of protein expression independent of the slow maturation kinetics of the fluorescent protein. Imaging of living cells by microscopy is by contrast limited to the measurement of the matured form of the reporter in fewer cells. However, the data sets generated by this technique can be extremely rich thanks to the combinations of multiple reporters and to the spatial and temporal information obtained from individual cells. The combination of these two measurement methods can deliver new insights on the regulation of protein expression by signaling pathways.