Integrating receptor interactions and dynamics and Interference with endocrine disruptors in the mechanisms of action of PPAR nuclear receptors

Abstract Peroxisome Proliferator-Activated Receptors (PPARs) form a family of three nuclear receptors regulating important cellular and metabolic functions. PPARs control gene expression by directly binding to target promoters as heterodimers with the Retinoid X Receptor (RXR), and their transcriptional activity is enhanced upon activation by natural or pharmacological ligands. The binding of PPAR/RXR heterodimers on target promoters allows the anchoring of a series of coactivators and corepressors involved in promoter remodeling and the recruitment of the transcription machinery. The transcriptional output finally depends on a complex interplay between (i) the respective expression levels of PPARs, RXRs and of other nuclear receptors competing for DNA binding and RXR recruitment, (ii) the availability and the nature of PPAR and RXR ligands, (iii) the expression levels and the nature of the different coactivators and corepressors and (iv) the sequence and the epigenetic status of the promoter. Understanding how all these factors and signals integrate and fine-tune transcription remains a challenge but is necessary to understand the specificity of the physiological functions regulated by PPARs. The work presented herein focuses on the molecular mechanisms of PPAR action and aims at understanding how the interactions and mobility of the receptor modulate transcription in the physiological context of a living cell: Such observations in vivo rely on the use of engineered fluorescent protein chimeras and require the development and the application of complementary imaging techniques such as Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP), Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) and Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS). Using such techniques, PPARs are shown to reside solely in the nucleus where they are constitutively associated with RXR but transcriptional activation by ligand binding -does not promote the formation of sub-nuclear structures as observed with other nuclear receptors. In addition, the engagement of unliganded PPARs in large complexes of cofactors in living cells provides a molecular basis for their ligand-independent activity. Ligand binding reduces receptor diffusion by promoting the recruitment of coactivators which further enlarge the size of PPAR complexes to acquire full transcriptional competence. Using these molecular approaches, we deciphered the molecular mechanisms through which phthalates, a class of pollutants from the plastic industry, interfere with PPARγ signaling. Mono-ethyl-hexyl-phthalate (MEHP) binding induces the recruitment of a specific subset of cofactors and translates into the expression of a specific subset of target genes, the transcriptional output being strongly conditioned by the differentiation status of the cell. This selective PPARγ modulation induces limited adipogenic effects in cellular models while exposure to phthalates in animal models leads to protective effects on glucose tolerance and diet-induced obesity. These results demonstrate that phthalates influence lipid and carbohydrate metabolism through complex mechanisms which most likely involve PPARγ but also probably PPARα and PPARß, Altogether, the molecular and physiological demonstration of the interference of pollutants with PPAR action outlines an important role of chemical exposure in metabolic regulations. Résumé Les PPARs (Peroxisome Proliferator-Activated Receptors) forment une famille de récepteurs nucléaires qui régulent des fonctions cellulaires et métaboliques importantes. Les PPARs contrôlent l'expression des gènes en se liant directement à leurs promoteurs sous forme d'hétérodimères avec les récepteurs RXR (Retinoid X Receptor), et leur activité transcriptionnelle est stimulée par la liaison de ligands naturels ou pharmacologiques. L'association des hétérodimères PPAR/RXR avec les promoteurs des gènes cibles permet le recrutement de coactivateurs et de corépresseurs qui vont permettre le remodelage de la chromatine et le recrutement de la machinerie transcriptionnelle. Les actions transcriptionnelles du récepteur dépendent toutefois d'interactions complexes qui sont régulées par (i) le niveau d'expression des PPARs, des RXRs et d'autres récepteurs nucléaires entrant en compétition pour la liaison à l'ADN et l'association avec RXR, (ii) la disponibilité et la nature de ligands de PPAR et de RXR, (iii) les niveaux d'expression et la nature des différents coactivateurs et corépresseurs et (iv) la séquence et le marquage épigénétique des promoteurs. La compréhension des mécanismes qui permettent d'intégrer ces aspects pour assurer une régulation fine de l'activité transcriptionnelle est un défi qu'il est nécessaire de relever pour comprendre la spécificité des fonctions physiologiques régulées par les PPARs. Ce travail concerne l'étude des mécanismes d'action moléculaire des PPARs et vise à mieux comprendre comment les interactions du récepteur avec d'autres protéines ainsi que la mobilité de ce dernier régulent son activité transcriptionnelle dans le contexte physiologique des cellules vivantes. De telles observations reposent sur l'emploi de protéines fusionnées à des protéines fluorescentes ainsi que sur le développement et l'utilisation de techniques d'imagerie complémentaires telles que le FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), le FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) ou la FCS (Fluorescence Corrélation Spectroscopy). En appliquant ces méthodes, nous avons pu montrer que les PPARs résident toujours dans le noyau où ils sont associés de manière constitutive à RXR, mais que l'ajout de ligand n'induit pas la formation de structures sub-nucléaires comme cela a pu être décrit pour d'autres récepteurs nucléaires. De plus, les PPARs sont engagés dans de larges complexes protéiques de cofacteurs en absence de ligand, ce qui procure une explication moléculaire à leur activité ligand-indépendante. La liaison du ligand réduit la vitesse de diffusion du récepteur en induisant le recrutement de coactivateurs qui augmente encore plus la taille des complexes afin d'acquérir un potentiel d'activation maximal. En utilisant ces approches moléculaires, nous avons pu caractériser les mécanismes permettant aux phtalates, une classe de polluants provenant de l'industrie plastique, d'interférer avec PPARγ. La liaison du mono-ethyl-hexyl-phtalate (NERF) à PPARγ induit un recrutement sélectif de cofacteurs, se traduisant par l'induction spécifique d'un sous-ensemble de gènes qui varie en fonction du niveau de différentiation cellulaire. La modulation sélective de PPARγ par le MEHP provoque une adipogenèse modérée dans des modèles cellulaires alors que l'exposition de modèles animaux aux phtalates induit des effets bénéfiques sur la tolérance au glucose et sur le développement de l'obésité. Toutefois, les phtalates ont une action complexe sur le métabolisme glucido-lipidique en faisant intervenir PPARγ mais aussi probablement PPARα et PPARß. Cette démonstration moléculaire et physiologique de l'interférence des polluants avec les récepteurs nucléaires PPAR souligne un rôle important de l'exposition à de tels composés dans les régulations métaboliques.

Thyroid hormone (T3) inhibits ciprofibrate-induced transcription of genes encoding beta-oxidation enzymes: cross talk between peroxisome proliferator and T3 signaling pathways.

Peroxisome proliferators cause rapid and coordinated transcriptional activation of genes encoding peroxisomal beta-oxidation system enzymes by activating peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) isoform(s). Since the thyroid hormone (T3; 3,3',5-triiodothyronine) receptor (TR), another member of the nuclear hormone receptor superfamily, regulates a subset of fatty acid metabolism genes shared with PPAR, we examined the possibility of interplay between peroxisome proliferator and T3 signaling pathways. T3 inhibited ciprofibrate-induced luciferase activity as well as the endogenous peroxisomal beta-oxidation enzymes in transgenic mice carrying a 3.2-kb 5'-flanking region of the rat peroxisomal enoyl-CoA hydratase/3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase gene fused to the coding region of luciferase. Transfection assays in hepatoma H4-II-E-C3 and CV-1 cells indicated that this inhibition is mediated by TR in a ligand-dependent fashion. Gel shift assays revealed that modulation of PPAR action by TR occurs through titration of limiting amounts of retinoid X receptor (RXR) required for PPAR activation. Increasing amounts of RXR partially reversed the inhibition in a reciprocal manner; PPAR also inhibited TR activation. Results with heterodimerization-deficient TR and PPAR mutants further confirmed that interaction between PPAR and TR signaling systems is indirect. These results suggest that a convergence of the peroxisome proliferator and T3 signaling pathways occurs through their common interaction with the heterodimeric partner RXR.

Multimeric complexes of the PML-retinoic acid receptor alpha fusion protein in acute promyelocytic leukemia cells and interference with retinoid and peroxisome-proliferator signaling pathways.

The t(15;17) chromosomal translocation, specific for acute promyelocytic leukemia (APL), fuses the PML gene to the retinoic acid receptor alpha (RAR alpha) gene, resulting in expression of a PML-RAR alpha hybrid protein. In this report, we analyzed the nature of PML-RAR alpha-containing complexes in nuclear protein extracts of t(15;17)-positive cells. We show that endogenous PML-RAR alpha can bind to DNA as a homodimer, in contrast to RAR alpha that requires the retinoid X receptor (RXR) dimerization partner. In addition, these cells contain oligomeric complexes of PML-RAR alpha and endogenous RXR. Treatment with retinoic acid results in a decrease of PML-RAR alpha protein levels and, as a consequence, of DNA binding by the different complexes. Using responsive elements from various hormone signaling pathways, we show that PML-RAR alpha homodimers have altered DNA-binding characteristics when compared to RAR alpha-RXR alpha heterodimers. In transfected Drosophila SL-3 cells that are devoid of endogenous retinoid receptors PML-RAR alpha inhibits transactivation by RAR alpha-RXR alpha heterodimers in a dominant fashion. In addition, we show that both normal retinoid receptors and the PML-RAR alpha hybrid bind and activate the peroxisome proliferator-activated receptor responsive element from the Acyl-CoA oxidase gene, indicating that retinoids and peroxisome proliferator receptors may share common target genes. These properties of PML-RAR alpha may contribute to the transformed phenotype of APL cells.

Involvement of PPARβ/δ in mesenchymal-epidermal interactions during skin wound healing

SUMMARY : Skin wound repair is a complex and highly coordinated process, where a variety of cell types unite to regenerate the damaged tissue. Several works have elucidated cellular and molecular mechanisms, in which mesenchymal-epidermal interactions play an essential role for the regulation of skin homeostasis and repair. Peroxisome Proliferator-Activated Receptors (PPARs) are ligand-activated transcription factors that belong to the nuclear receptor superfamily. Three related isotypes (PPARα, PPARß/δ and PPARγ) have been found, which exhibit distinct tissue distribution and specific physiological functions. PPARß/δ was identified as a crucial player of skin homeostasis. In the mouse skin, PPARß/δ has been described to control proliferation-differentiation state, adhesion and migration, and survival of the keratinocytes during healing. PPARß/δ has been implicated as well in the development of the hair follicles, in which mesenchymal-secreted hepatocyte growth factor (HGF) is involved. These data suggest that the biological activity of PPARß/δ is modulated by mesenchymal-epidermal interactions and that, in turn, PPARß/δ also modulates some of these signals. The aim of the present work was to elucidate the nature of the signals exchanged between the epidermis and dermis compartments, and more particularly those which are under the control of PPARß/δ. In the first part of the study, we showed that PPARß/8 in dermal fibroblasts down-regulates the mitotic activity of keratinocytes by inhibiting the IL-1 signalling pathway via the production of secreted IL-1 receptor antagonist (sIL-1Ra), a natural antagonist of this signalling. The regulation of IL-1 signalling by PPARß/δ is required for anon-pathological skin wound repair. These findings provide evidence for a novel homeostatic control of keratinocyte proliferation and differentiation mediated by the regulation of IL-1 signalling via dermal PPARß/δ fibroblasts. Proteolysis of the extracellular matrix (ECM) is a key process involved in wound repair and modifications in its activity are often associated with an alteration óf the wound closure. This process implies specific proteinases, as matrix metalloproteinases (MMPs), which are finely modulated by IL-1 signalling. In line with the first results, the second part of the work showed that MMP8 and MMP13, which are two important collagenases involved in mouse skin wound repair, are regulated by PPARß/δ. Their expression is indirectly down-regulated by dermal PPARß/δ, via the production of sIL-1Ra, resulting in the inhibition of IL-1 signalling, known to regulate the expression of numerous MMPs. We suggest that, in absence of PPARß/δ, the positive regulation of these two collagenases could participate to the delay of skin wound healing, which has been observed in mice deleted for PPARßlS. The potential therapeutic role of PPARß/b could be as well extending to inflammatory and hyperproliferative skin diseases involving IL-1 signalling, such as psoriasis or skin cancers. Quite interestingly, MMP1 (analogue of mouse MMP13) plays an essential role in human photoaging, suggesting that PPARß/δ could as well be an attractive target for photoprotection. RESUME : La cicatrisation est un processus complexe et extrêmement organisé, impliquant un grand nombre de cellules qui s'unissent pour régénérer le tissu endommagé. De nombreux travaux nous ont éclairés sur les mécanismes cellulaires et moléculaires, dans lesquels les interactions épidermo-mésenchymateuses détiennent un rôle capital à la fois dans la régulation de l'homéostasie et dans la réparation de la peau. PPAR (Peroxisome proliferatar-activated receptor), qui appartient à la superfamille des récepteurs nucléaires, se définit comme un facteur de transcription activé par des ligands très spécifiques. Trois isotypes (PPARa, PPARß/δ et PPARy) ont été décrits et sont caractérisés par une distribution tissulaire et des fonctions physiologiques clairement définies. PPARß/δ a été identifié comme étant un important acteur dans l'homéostasie de la peau. Chez la souris, il a été décrit comme contrôlant l'état de prolifération et de différenciation, le processus d'adhésion et de migration, ainsi que la survie des kératinocytes au cours de la cicatrisation. PPARßIS a également été défini comme contrôlant le développement des follicules pileux, impliquant la sécrétion par le mésenchyme du facteur de croissance HGF. Ces données suggèrent que l'activité biologique de PPARß/δ est modulée par des interactions épidermo-mésenchymateuses, et qu'en retour, il possède la capacité de moduler certains de ces signaux. L`objectif de ce travail a été d'élucider la nature des signaux échangés entre les compartiments épidermique et dermique, et plus particulièrement ceux qui sont sous le contrôle de PPARß/δ. Dans la première partie de l'étude, nous avons montré que les fibroblastes exprimant PPARß/δ réduisent l'activité mitotique des kératinocytes en inhibant la voie de signalisation IL-1, via la production de sIL-1Ra (secreted IL-1 receptor antagonist), défini comme un antagoniste naturel de cette voie de signalisation. La régulation de cette dernière par PPARß/δ est donc nécessaire pour une cicatrisation de type non pathologique. Ces résultats offrent donc une nouvelle preuve du contrôle de l'homéostasie et de l'état de prolifération/différenciation des kératinocytes par les fibroblastes exprimant PPARß/δ, en régulant la voie de signalisation IL-1. Le mécanisme de dégradation de la matrice extracellulaire (MEC) est une étape essentielle lors du processus de cicatrisation. Ainsi des modifications de cette activité protéolytïque sont souvent associées à une altération de la fermeture de la plaie. Ce processus implique des protéinases, comme les MMPs, qui sont finement modulés par la voie de signalisation IL-1. En accord avec les premiers résultats, la seconde partie des nos travaux a montré que les collagénases MMP8 et MMP13, connues pour être d'importantes molécules impliquées lors de la réparation tissulaire chez la souris, sont modulées par l'activité de PPARß/δ. Leurs expressions sont indirectement régulées par PPARß/δ, via la production. de sIL-1 Ra, entraînant ainsi l'inhibition de la voie de signalisation IL-1, décrite pour réguler l'expression de nombreuses MMPs, Nous suggérons donc qu'en absence de PPARß/δ, la régulation de ces deux collagénases pourrait être impliquée dans le retard de cicatrisation, observé chez les souris déficientes pour PPARß/δ. L'activité biologique de PPARß/δ pourrait être ainsi étendue à des maladies hyperproliferatives et inflammatoires de la peau, impliquant la voie de signalisation IL-1, comme le psoriasis ou certains cancers de la peau, et ce à des fins thérapeutiques. Il est aussi intéressant de relever que chez l'homme, MMP1 (présenté comme l'analogue de MMP13 de la souris} joue un rôle primordial dans le photo-vieillissement, nous suggérons donc que PPARß/δ pourrait ainsi être une cible attrayante concernant la photoprotection.

Double gene deletion reveals the lack of cooperation between PPARalpha and PPARbeta in skeletal muscle.

The peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) are involved in the regulation of most of the pathways linked to lipid metabolism. PPARalpha and PPARbeta isotypes are known to regulate muscle fatty acid oxidation and a reciprocal compensation of their function has been proposed. Herein, we investigated muscle contractile and metabolic phenotypes in PPARalpha-/-, PPARbeta-/-, and double PPARalpha-/- beta-/- mice. Heart and soleus muscle analyses show that the deletion of PPARalpha induces a decrease of the HAD activity (beta-oxidation) while soleus contractile phenotype remains unchanged. A PPARbeta deletion alone has no effect. However, these mild phenotypes are not due to a reciprocal compensation of PPARbeta and PPARalpha functions since double gene deletion PPARalpha-PPARbeta mostly reproduces the null PPARalpha-mediated reduced beta-oxidation, in addition to a shift from fast to slow fibers. In conclusion, PPARbeta is not required for maintaining skeletal muscle metabolic activity and does not compensate the lack of PPARalpha in PPARalpha null mice.

Involvement of PPAR nuclear receptors in tissue injury and wound repair.

Tissue damage resulting from chemical, mechanical, and biological injury, or from interrupted blood flow and reperfusion, is often life threatening. The subsequent tissue response involves an intricate series of events including inflammation, oxidative stress, immune cell recruitment, and cell survival, proliferation, migration, and differentiation. In addition, fibrotic repair characterized by myofibroblast transdifferentiation and the deposition of ECM proteins is activated. Failure to initiate, maintain, or stop this repair program has dramatic consequences, such as cell death and associated tissue necrosis or carcinogenesis. In this sense, inflammation and oxidative stress, which are beneficial defense processes, can become harmful if they do not resolve in time. This repair program is largely based on rapid and specific changes in gene expression controlled by transcription factors that sense injury. PPARs are such factors and are activated by lipid mediators produced after wounding. Here we highlight advances in our understanding of PPAR action during tissue repair and discuss the potential for these nuclear receptors as therapeutic targets for tissue injury.

Ulcerative colitis impairs the acylethanolamide-based anti-inflammatory system reversal by 5-aminosalicylic acid and glucocorticoids

Studies in animal models and humans suggest anti-inflammatory roles on the N acylethanolamide (NAE)-peroxisome proliferators activated receptor alpha (PPARα) system in inflammatory bowel diseases. However, the presence and function of NAE-PPARα signaling system in the ulcerative colitis (UC) of humans remain unknown as well as its response to active anti-inflammatory therapies such as 5-aminosalicylic acid (5-ASA) and glucocorticoids. Expression of PPARα receptor and PPARα ligands-biosynthetic (NAPE-PLD) and -degrading (FAAH and NAAA) enzymes were analyzed in untreated active and 5-ASA/glucocorticoids/immunomodulators-treated quiescent UC patients compared to healthy human colonic tissue by RT-PCR and immunohistochemical analyses. PPARα, NAAA, NAPE-PLD and FAAH showed differential distributions in the colonic epithelium, lamina propria, smooth muscle and enteric plexus. Gene expression analysis indicated a decrease of PPARα, PPARγ and NAAA, and an increase of FAAH and iNOS in the active colitis mucosa. Immunohistochemical expression in active colitis epithelium confirmed a PPARα decrease, but showed a sharp NAAA increase and a NAPE-PLD decrease, which were partially restored to control levels after treatment. We also characterized the immune cells of the UC mucosa infiltrate. We detected a decreased number of NAAA-positive and an increased number of FAAH-positive immune cells in active UC, which were partially restored to control levels after treatment. NAE-PPARα signaling system is impaired during active UC and 5-ASA/glucocorticoids treatment restored its normal expression. Since 5-ASA actions may work through PPARα and glucocorticoids through NAE-producing/degrading enzymes, the use of PPARα agonists or FAAH/NAAA blockers that increases endogenous PPARα ligands may yield similar therapeutics advantages.

Zinc-alpha 2-glycoprotein gene expression in adipose tissue is related with insulin resistance and lipolytic genes in morbidly obese patients.

OBJECTIVE Zinc-α(2) glycoprotein (ZAG) stimulates lipid loss by adipocytes and may be involved in the regulation of adipose tissue metabolism. However, to date no studies have been made in the most extreme of obesity. The aims of this study are to analyze ZAG expression levels in adipose tissue from morbidly obese patients, and their relationship with lipogenic and lipolytic genes and with insulin resistance (IR). METHODS mRNA expression levels of PPARγ, IRS-1, IRS-2, lipogenic and lipolytic genes and ZAG were quantified in visceral (VAT) and subcutaneous adipose tissue (SAT) of 25 nondiabetic morbidly obese patients, 11 with low IR and 14 with high IR. Plasma ZAG was also analyzed. RESULTS The morbidly obese patients with low IR had a higher VAT ZAG expression as compared with the patients with high IR (p = 0.023). In the patients with low IR, the VAT ZAG expression was greater than that in SAT (p = 0.009). ZAG expression correlated between SAT and VAT (r = 0.709, p<0.001). VAT ZAG expression was mainly predicted by insulin, HOMA-IR, plasma adiponectin and expression of adiponectin and ACSS2. SAT ZAG expression was only predicted by expression of ATGL. CONCLUSIONS ZAG could be involved in modulating lipid metabolism in adipose tissue and is associated with insulin resistance. These findings suggest that ZAG may be a useful target in obesity and related disorders, such as diabetes.

Roles of PPARβ and PPARγ in mouse placental development

RESUME Les gènes des PPARs jouent des rôles importants dans la régulation du métabolisme énergétique, lipidique et glucidique. Le présent travail, caractérise et analyse les défauts placentaires responsables de la mort embryonnaire des souris mutantes pour PPARβ et pour PPARγ, entre le jour E9.5 et E10.5. Les placentas issus d'embryons PPARP présentent un sévère retard de croissance, alors que les placentas mutants PPARγ montrent de graves défauts vasculaires. Nous montrons que les placentas issus d'embryons PPARβ-/-, au jour E9.5 présentent une réduction prononcée de la couche de cellules géantes, associée à une diminution des niveaux de protéines exprimées par les cellules géantes, tel que le placenta lactogène-I et la « proliferin ». Par ailleurs, nous montrons que le traitement d'un lignée trophoblastique par un ligand spécifique de PPARP augmente considérablement leur différentiation en cellules géantes. Cette différentiation dépendante de la voie de signalisation P13-kinase, s'accompagne d'une élévation de l'expression de l'ADRP, une protéine de structure associée aux vésicules lipidiques. Ainsi nous démontrons que PPAR5 est un régulateur majeur de la différentiation des cellules géantes, lesquelles sont primordiales aussi bien pour l'établissement de la structure placentaire, que pour la fonction endocrine. Par contre, les placentas PPARγ-/- présentent un défaut de vascularisation. Le niveau d'une protéine anti-angiogénique, la « proliferin-related protein », est très basse et ne peut pas contre-balancer l'élévation normale de la protéine pro-angiogénique « proliferin ». La formation des vaisseaux se trouve alors altérée. Ainsi, PPARγ constitue un régulateur majeur de l'activité anti-angiogénique. En conclusion, ce travail fournit de nouveaux éléments sur le rôle complémentaires de PPARβet PPARγ dans les événements complexes qui régissent le développement placentaire. SUMMARY Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) are nuclear hormone receptors involved in energy homeostasis and growth. Herein, we characterize the placental defects that cause embryonic lethality around E9.5/E10.5 in PPARβ- and in PPARγ-deficient mouse lines. Most but not all PPARβ-null mutants die around E9.5/E10.5 with severe growth retardation. The placentas from PPARβ-/- embryos at E9.5 exhibit a strongly reduced giant cell layer, associated with reduced levels of proteins expressed by giant cells such as Placental lactogen-I and Proliferin. Ectopic treatment of a rat trophoblast cell line with PPARβ ligand markedly accelerated PI3 kinase-dependent giant cell differentiation. In addition, we demonstrate that ADRP, a pen-related lipid droplet-bound protein, is up-regulated by PPARβ in differentiated Rcho-1 cells. These results indicate that PPARβ is a crucial regulator of the differentiation secondary giant cells, which play a major role in the establishment of the placental structure as well as an important endocrine function. In contrast, the main alteration of the PPARγ-null placentas concerns the vasculogenesis. We show that in these placentas, the level of the anti-angiogenic proliferin-related protein is very low, and cannot balance the normal elevation of the pro-angiogenic proliferin expression, leading to the defective placental vessel formation. Consistently, the dramatic increase of PPARγ expression in late stage of gestation in wild-type mice is likely a major regulator of the anti-angiogenic activity, particularly important at the end of the pregnancy. This work emphasizes the important and complementary roles of PPARβ and PPARγ in mouse placental development and provides new tools for understanding the complex regulatory events that governs placental development and function. Understanding the function of PPARβ and PPARγ are of crucial interest with respect to human placental development and associated pathologies.

Decreased acute vascular remodeling, anaphylaxis and delayed type hypersensitivity in PPARβ/δ-deficient mice

Endothelial cells form a semi-permeable barrier that participates in the exchange of plasma fluids, proteins and cells, and helps to maintain the physiological functions of organs as well as circulatory homeostasis. Vascular permeability and vasodilatation are increased during acute and chronic inflammation, cancer and wound healing. This is mediated by exposure to certain vascular permeability increasing factors, such as vascular endothelial growth factor (VEGF). The peroxisome proliferator-activated receptors (PPAR) belong to the nuclear hormone receptor (NHRs) family of ligand-activated transcription factors. Three isotypes, PPARa, PPARp/5 and PPARy have been identified. They are all expressed in endothelial cells (ECs). Recent data have demonstrated their involvement in important mechanisms for vasculogenesis and angiogenesis, such as cell proliferation/differentiation, directional sensing/migration, and survival. PPARs were reported to modulate the expression of pro-angiogenic soluble factors, such as VEGF-A and may also participate in the regulation of expression of VEGF receptors. The aim of the present work was to elucidate the role of PPARp/δ in endothelial cell functions important for angiogenesis as well as in vascular permeability and vasodilatation. Using organ culture models of mouse aorta expiants, cultures of human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and genetically modified mouse models, we studied the consequences of loss and gain of PPARp/5 activity on endothelial cell functions. In the first part of this study, we show that the activation of PPARp/δ promotes EC outgrowth in murine aorta expiants. In vivo we observed that dermal vessel acute permeability in response to VEGF-A stimulation is strongly impaired in PPARfi/δ -I- animals. Additionally, observation of the dermal vessel morphology showed a clear enlargement of the wild-type dermal vessels upon VEGF-A injection, whereas vessels of PPARp/5 -/- animals showed almost no enlargement. The impaired response to VEGF stimulation in the knock-out animals was not due to structural or morphological abnormalities. Based on this data, we suggest that PPARp/5 may act on intracellular signaling cascades in ECs, downstream of the VEGF-A receptor. In the second part of this study, we address the relevance of PPARβ/δ vascular functions in pathophysiological inflammatory conditions, such as delayed- type hypersensitivity (DTH) reaction and anaphylaxis in mice. The DTH reaction is a cell-mediated immune reaction to protein, bacterial and viral antigens, whereas anaphylaxis is the most severe form of allergic reaction. In these in vivo models, we demonstrated that the absence of PPARβ/δ in ECs prevents the formation of severe edema in the DTH reaction, and that Ρ PARβ/δ accelerates recovery following systemic anaphylaxis, at least partially through the control of vascular permeability. Our data not only describe a novel function of PPARβ/δ in vessel permeability and vasodilatation, but also open new routes of research for the development of vessel permeability/vasodilatation regulating agents. - Les cellules endothéliales qui bordent la face interne des vaisseaux sanguins forment l'endothélium, une barrière semi-perméable qui régule les échanges de fluides, de protéines et de cellules immunes entre la circulation et les organes. L'endothélium participe également au maintien de la fonction des organes et de l'homéostasie circulatoire. La perméabilité vasculaire augmente dans des situations inflammatoires aigties ou chroniques, dans les tumeurs, et pendant la réparation de blessures. Cette augmentation de perméabilité est due à la production de facteurs sécrétés, tels que le Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF-A), la thrombine ou I'histamine. Lès récepteurs nucléaires Peroxisome Proliferator-Activated Receptors (PPAR) sont des facteurs de transcription mis en activité par des ligands. Trois isotypes de PPARs, PPARa, ΡΡΑΡβ/δ and PPARy ont été caractérisés. Ils sont exprimés dans les cellules endothéliales, et des travaux récents ont montré qu'ils régulent des comportements cellulaires importants pour la vasculogenèse et l'angiogenèse, tels que la prolifération, la différenciation, la migration, et la survie des cellules. Ils régulent également la production de VEGF-A par divers types cellulaires. Le but de ce travail était d'élucider le rôle de PPARβ/δ dans la régulation de la perméabilité vasculaire, plus particulièrement dans les cellules endothéliales. Grâce à des cultures d'expiants d'aortes de souris, à la culture d'une lignée endothéliale humaine (HUVECs) et de souris génétiquement modifiées, nous avons étudié le rôle de PPARβ/δ dans les cellules endothéliales, dans des situations gain et perte de fonction du récepteur. Dans la première partie de ce travail, nous avons montré les propriétés pro-angiogéniques de PPARβ/δ dans des explants d'aortes. In vivo, nous avons observé l'absence d'hyperperméabilité aiguë induite par le VEGF-A, la thrombine et I'histamine chez les souris PPARβ/δ -/-. De plus, l'analyse morphologique des vaisseaux dans le derme des souris après stimulation par VEGF- A a confirmé l'absence de réponse à la stimulation. Ces analyses morphologiques nous ont également permis de montrer que l'absence de réponse aiguë n'était pas due à un défaut de structure des vaisseaux dermiques chez les souris PPARp/δ -/-. Sur la base de ces résultats, nous proposons que PPARp/δ régule des voies de signalisation intracellulaires dans les cellules endothéliales, voie de signalisation impliquées dans la régulation de la perméabilité vasculaire: Dans la seconde partie du travail, nous avons étudié l'importance de la régulation de la perméabilité vasculaire par PPARβ/δ dans des situations pathophysiologiques impliquant une hyperperméabilité aiguë des vaisseaux : une réaction d'hypersensibilité cutanée retardée d'une part (delayed-type hypersensitivity, DTH), et un choc anaphylactique d'autre part. Dans ces deux modèles induits expérimentalement chez la souris, l'absence de PPARβ/δ prévient en partie la formation de l'oedème inflammatoire local (DTH), et accélère la récupération (anaphylaxie), au moins partiellement en réglant la perméabilité vasculaire. Ces résultats ouvrent un nouveau champs d'étude quant au rôle de PPARβ/δ dans les vaisseaux et à d'éventuelles applications thérapeutiques dans des pathologies inflammatoires.

ARE PPARS NOVEL THERAPEUTIC TARGETS TO IMPROVE MELANOMA TREATMENT ?

Cutaneous melanoma is an aggressive malignant tumor of melanocytes, the pigment- producing cells of the epidermis, with a high incidence in developed countries. Despite some major clinical breakthroughs in the last few years, efficient therapies for metastatic melanoma, which portends a very bad prognosis, are still lacking. Among the potential therapeutic targets that have been attracting at-tention in melanoma are the peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs). These members - a, ß and 7 - of the nuclear hormone receptor family, which are ligand-gated transcription factors endowed with a multitude of functions besides metabolism homeostasis, have displayed promising antitumor properties in a wide range of cancer cells, including melanoma. However, our knowledge of PPARs' functions in this skin cancer is far from complete, making the usefulness of any of the a, ß or 7 isotype as a therapeutic target uncertain. In this work, we showed that all three PPAR isotypes are expressed in normal melanocytes, in most melanoma cell lines and in primary and metastatic melanomas, and that PPAR/3 and 7 display transcriptional activity in normal melanocytes and melanoma cells. We also showed that the PPAR7 agonist rosiglitazone had anti-melanoma properties largely independent of PPAR7 expression, which was widely varying across the different cell lines and melanoma biopsies we evaluated and was not correlated with cell line stage. Consistent with the general view of PPAR7 as a tumor suppressor gene, we found that, in human samples, PPAR7 was less expressed in melanoma than in normal skin. Transcriptornic profiling of metastatic melanoma cells in which PPAR7 was pharmacologically modulated revealed an association with epithelial-to-mesenchymal transition, though the functional relevance of this finding remains to be determined. Collectively, our results suggests that PPAR7 activity in melanoma is highly complex and that a straightforward picture of PPAR7's role in this skin cancer is difficult to draw. In this study, we also provided compelling evidence that thioredoxin interacting protein (TXNIP) is, in melanoma, a bona fide PPAR7 target gene, the expression of which is repressed by PPAR7 activation. Although TXNIP is mostly known as an inhibitor of the major antioxidant thioredoxin, it has demonstrated a range of biological functions and is generally considered as a tumor suppressor gene. Consistently, we found that TXNIP expression is associated with growth arrest of melanoma cells in vitro and that forced expression of TXNIP strongly impairs cell proliferation. Interestingly, we also discovered that TXNIP favors melanoma cell migration while it diminishes their adhesion. Finally, we provided several lines of evidence that TXNIP may regulate these processes at the transcriptional level as well as by direct protein-protein interactions in the plasma membrane. Altogether, our findings suggest that the PPAR7 target TXNIP may be a double-edged sword in melanoma, hindering tumor growth but promoting invasion and dissemination. Experiments to evaluate the net biological outcome of TXNIP modulation in vivo are ongoing. -- Le mélanome cutané est une tumeur maligne agressive des mélanocytes, cellules de l'épiderme qui produisent la mélanine. Ce cancer présente un taux d'incidence élevé dans les pays développés et est grevé d'un pronostic très sombre une fois qu'il a disséminé. Malgré les importants progrès réalisés ces dernières années, aucune thérapie lie s'est encore montrée véritablement efficace contre le mélanome métastatique. Parmi les cibles thérapeutiques potentielles, nombre de groupes de recherche se sont penchés sur les peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs). Ces récepteurs - a, ß et 7 - font partie de la famille des récepteurs nucléaires aux hormones, des facteurs de transcription activés par des ligands et dotés d'une multitude de fonctions en sus de la régulation du métabolisme. Ces protéines ont démontré des propriétés anti-tumorales prometteuses dans une large gamme de cellules cancéreuses, y compris le mélanome. Cependant, nous connaissons encore très mal les fonctions des PPARs dans ce cancer de la peau, rendant l'utilité thérapeutique de l'un des isotypes a, ß ou 7 incertaine. Dans ce travail, nous avons montré que les trois isotypes sont exprimés dans les mélanocytes normaux, dans la plupart des lignées de mélanome ainsi que dans des mélanomes primaires et métastatiques; nous avons aussi montré que PPAR/3 et 7 sont actifs sur le plan transcriptionnel dans les mélanocytes normaux et les cellules de mélanome. La rosiglitazone, un agoniste de PPAR7, a démontré des propriétés anti-mélanome essentiellement indépendantes de l'expression de PPAR7, qui semble très variable dans les lignées et les biopsies que nous avons évaluées; de plus, l'expression de PPAR7 n'est pas corrélée avec le stade de la lignée. En accord avec la vision communément admise de PPAR7 comme étant un gène suppresseur de tumeur, nous avons observé dans des échantillons humains que PPAR7 est moins exprimé dans les mélanomes que dans la peau normale. Une étude transcrip- tomique de cellules de mélanome métastatique a révélé que la modulation phar-macologique de PPAR7 est associée avec la transition épithélio-mésenchymateuse, même si la pertinence fonctionnelle de cette trouvaille reste à déterminer. Collec-tivement, ces résultats suggèrent que l'activité de PPAR/y dans le mélanome est hautement complexe et qu'une image claire du rôle de PPAR7 dans ce cancer est difficile à dessiner. Dans cette étude, nous avons également fourni de solides preuves que la thiore-doxin interacting protein (TXNIP) est, dans le mélanome, un gène cible bona fide de PPAR7 dont l'expression est réprimée par l'activation de PPAR7. Bien que TXNIP soit surtout connu comme un inhibiteur de la thiorédoxine -un anti-oxydant majeur - cette protéine a démontré une large gamme de fonctions biologiques et est généralement considérée comme un gène suppresseur de tumeur. En accord avec cette conception, nous avons trouvé que l'expression de TXNIP est associée avec l'arrêt de croissance des cellules de mélanome in vitro et que l'expression forcée de TXNIP freine considérablement la prolifération cellulaire. Nous avons aussi découvert que TXNIP favorise la migration des cellules de mélanome alors qu'elle diminue leur adhésion. Enfin, nous avons obtenu plusieurs preuves que TXNIP pourrait réguler ces processus tant au niveau transcriptionnel que par des interactions protéine-protéine au sein de la membrane plasmique. En conclusion, nos résultats suggèrent que la cible de PPAR7 TXNIP pourrait être une épée à double tranchant dans le mélanome, freinant la croissance tumorale mais favorisant l'invasion et la dissémination. Des expériences permettant d'évaluer l'effet biologique net de la modulation de TXNIP in vivo sont en cours.

PPARs: nuclear receptors for fatty acids, eicosanoids, and xenobiotics.

The peroxisome proliferator-activated receptors have enjoyed the spotlight for many reasons. These transcription factors are ligand-inducible nuclear receptors that modulate gene expression in response to a broad spectrum of compounds. The recognition that PPARs are indeed nuclear receptors for polyunsaturated fatty acids, some eicosanoids and also lipid-lowering and antidiabetic drugs, has opened many exciting avenues of research and drug discovery. Recent studies on the PPAR function have extended the role of these transcription factors beyond energy homeostasis to master gene in adipogenesis and also determinants in inflammation control. While rapid advances have been made, it is clear that we are far from a global understanding of the mechanisms and functions of PPARs.

Nuclear receptor PPARS function in stem cell differentiation and bone physiology

In adult, bone remodeling is a permanent process, reaching an annual turnover of about 10% of the skeleton. Bone remodeling requires the sequential and coordinated actions of the hematopoietic origin osteoclasts, to remove bone and the mesenchymal origin osteoblasts to replace it. An increased level of bone resorption is the primary cause of age-related bone loss often resulting in osteopenia, and is the major cause of osteoporosis.¦Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs), which are expressed in three isotypes, PPARa, PPARp and PPARy, are ligand-activated transcription factors that control many cellular and metabolic processes, more particularly linked to lipid metabolism. In bone, previous works has shown that PPARy inhibits osteogenesis by favoring adipogenesis from common mesenchymal progenitors. In addition, the pro-osteoclastogenesis activity of PPARy results in an increased bone resorption. Accordingly, treatment with PPARy agonist such as the anti-diabetic drug TZD causes bone loss and accumulation of marrow adiposity in mice as well as in postmenopausal women. The aim of the present thesis work was to elucidate the PPARs functions in bone physiology.¦The initial characterization of the PPARP" bone phenotype mainly revealed a decreased BMD. In vitro studies exploring the potency of mesenchymal stem cells to differentiate in osteoblast showed no differences depending on the genotype. However, we could demonstrate an effect of PPARp in partially inhibiting osteoclastogenesis. These results are further sustained by a study made in collaboration with the group of Dr Kronke, which showed an impressive protection against ovariectomy-generated bone loss when the females are treated with a PPARp agonist.¦Observations in PPARy null mice are more complex. The lab has recently been able to generate mice carrying a total deletion of PPARy. Intriguingly, the exploration of the bone phenotype of these mice revealed paradoxical findings. Whereas short bones such as vertebrae exhibit an elevated BMD as expected, long bones (tibia and femur) are clearly osteoporotic. According to their activity when set in culture, osteoblast differentiation normally occurs. Indeed the phenotype can be mainly attributed to a high density of osteoclasts in the cortical bone of PPARy null mice, associated to large bone resorption areas.¦Our explorations suggest a mechanism that involves regulatory processes linking osteoclastogenesis to adipogenesis, the latter being totally absent in PPARy null mice. Indeed, the lack of adipose tissue creates a favorable niche for osteoclastogenesis since conditioned medium made from differentiated adipocyte 3T3L1 inhibited osteoclastogenesis from both PPARy-/- and WT cells. Thus, adipokines deficiency in PPARy-/- mice contributes to de- repress osteoclastogenesis. Using specific blocking antibody, we further identified adiponectin as the major player among dozens of adipokines. Using flow cytometry assay, we explored the levels at which the osteoclastic commitment was perturbed in the bone marrow of PPARy-/- mice. Intriguingly, we observe a general decrease for hematopoietic stem cell and lineage progenitors but increased proportion of osteoclast progenitor in PPARy-/- bone marrow. The general decrease of HSC in the bone marrow is however largely compensated by an important extra-medullary hematopoeisis, taking place in the liver and in the spleen.¦These specific characteristics emphasize the key role of PPARy on a cross road of osteogenesis, adipogenesis and hematopoiesis/osteoclastogenesis. They underline the complexity of the bone marrow niche, and demonstrate the inter-dependance of different cell types in defining bone homeostasis, that may be overseen when experimental design single out pure cell populations.¦Chez l'adulte, même après la fin de la croissance, le renouvellement des os se poursuit et porte sur environ 10% de l'ensemble du squelette adulte, par année. Ce renouvellement implique à la fois des mécanismes séquentiels et coordonnés des ostéoclastes d'origine hématopoïetique, qui dégradent l'os, et des ostéoblastes d'origine mésenchymale, qui permettent la régénération de l'os. La perte en densité osseuse due à l'âge entraîne un fort niveau de résorption, conduisant souvent à une ostéopénie, elle-même cause de l'ostéoporose.¦Les trois isotypes PPAR (Peroxisome proliferator-activated receptor, PPARa, PPARp, et PPARy) sont des récepteurs nucléaires qui contrôlent de nombreux mécanismes cellulaires et métaboliques, plus particulièrement liés au métabolisme lipidique. Au niveau osseux, des travaux précédents ont montré que PPARy inhibe l'ostéoblastogenèse en favorisant la formation d'adipocytes à partir de la cellule progénitrice commune. De plus, l'activité pro- ostéoclastogénique de PPARy induit une résorption osseuse accrue. Condormément à ces observations, les patients diabétiques traités par les thiazolidinediones qui agissent sur PPARy, ont un risque accrue d'ostéoporose liée à une perte osseuse accrue et un accroissement de l'adiposité au niveau de la moelle osseuse. Dans ce contexte, l'objectif de mon travail de thèse a été d'élucider le rôle des PPAR dans la physiologie osseuse, en s'appuyant sur le phénotype des souris porteuses de mutation pour PPAR.¦La caractérisation initiale des os des souris porteuses d'une délétion de ΡΡΑΕφ a principalement révélé une diminution de la densité minérale osseuse (DMO). Alors que l'ostéogenèse n'est pas significativement altérée chez ces souris, l'ostéoclastogenèse est elle augmentée, suggérant un rôle modérateur de ce processus par ΡΡΑΕΙβ. Ces résultats sont par ailleurs soutenus par une étude menée par le groupe du Dr Krônke en collaboration avec notre groupe, et qui monte une protection très importante des souris traitées par un activateur de PPARP contre l'ostéoporose provoquée par l'ovariectomie.¦Les observations concernant PPARy donnent des résultats plus complexes. Le laboratoire a en effet été capable récemment de générer des souris portant une délétion totale de PPARy. Alors que les os courts chez ces souris présentent une augmentation de la DMO, comme attendu, les os longs sont clairement ostéoporotiques. Ce phénotype corrèle avec une densité élevée d'ostéoclastes dans l'os cortical de ces os longs. Deux processus semblent contribuer à ce phénotype. En premier lieu, nous démontrons qu'un milieu conditionné provenant de cultures de cellules 3T3-L1 différenciées en adipocytes contiennent une forte activité inhibitrice d'osteoclastogenesis. L'utilisation d'anticorps neutralisant permet d'identifier l'adiponectine comme l'un des facteurs principaux de cette inhibition. Les souris PPARy étant totalement dépourvues d'adipocytes et donc de tissu adipeux, la sécrétion locale d'adiponectine dans la moelle osseuse est donc également absente, entraînant une désinhibition de l'ostéoclastogenèse. En second lieu, des analyses par FACS révèle une proportion accrue des cellules progénitrices d'ostéoclastes dans la moelle osseuse. Cela s'accompagne par une diminution globale des cellules souches hématopoïétiques, qui est cependant largement compensée par une importante hématopoëise extra-médullaire, dans le foie comme dans la rate.¦L'ensemble de notre travail montre toute l'importance de PPARy au carrefour de l'ostéogenèse, adipogenèse, et hématopoëise/osteoclastogenèse. Il souligne la complexité de la niche que représente la moelle osseuse et démontre l'inter-dépendance des différents types cellulaires définissant l'homéostasie osseuse, complexité qui peut facilement être masqué lorsque le travail expérimental se concentre sur le comportement d'un type cellulaire donné.

PPARβ/δ activation blocks lipid-induced inflammatory pathways in mouse heart and human cardiac cells.

Owing to its high fat content, the classical Western diet has a range of adverse effects on the heart, including enhanced inflammation, hypertrophy, and contractile dysfunction. Proinflammatory factors secreted by cardiac cells, which are under the transcriptional control of nuclear factor-κB (NF-κB), may contribute to heart failure and dilated cardiomyopathy. The underlying mechanisms are complex, since they are linked to systemic metabolic abnormalities and changes in cardiomyocyte phenotype. Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) are transcription factors that regulate metabolism and are capable of limiting myocardial inflammation and hypertrophy via inhibition of NF-κB. Since PPARβ/δ is the most prevalent PPAR isoform in the heart, we analyzed the effects of the PPARβ/δ agonist GW501516 on inflammatory parameters. A high-fat diet induced the expression of tumor necrosis factor-α, monocyte chemoattractant protein-1, and interleukin-6, and enhanced the activity of NF-κB in the heart of mice. GW501516 abrogated this enhanced proinflammatory profile. Similar results were obtained when human cardiac AC16 cells exposed to palmitate were coincubated with GW501516. PPARβ/δ activation by GW501516 enhanced the physical interaction between PPARβ/δ and p65, which suggests that this mechanism may also interfere NF-κB transactivation capacity in the heart. GW501516-induced PPARβ/δ activation can attenuate the inflammatory response induced in human cardiac AC16 cells exposed to the saturated fatty acid palmitate and in mice fed a high-fat diet. This is relevant, especially taking into account that PPARβ/δ has been postulated as a potential target in the treatment of obesity and the insulin resistance state.

The G0/G1 switch gene 2 is a novel PPAR target gene.

PPARs (peroxisome-proliferator-activated receptors) alpha, beta/delta and gamma are a group of transcription factors that are involved in numerous processes, including lipid metabolism and adipogenesis. By comparing liver mRNAs of wild-type and PPARalpha-null mice using microarrays, a novel putative target gene of PPARalpha, G0S2 (G0/G1 switch gene 2), was identified. Hepatic expression of G0S2 was up-regulated by fasting and by the PPARalpha agonist Wy14643 in a PPARalpha-dependent manner. Surprisingly, the G0S2 mRNA level was highest in brown and white adipose tissue and was greatly up-regulated during mouse 3T3-L1 and human SGBS (Simpson-Golabi-Behmel syndrome) adipogenesis. Transactivation, gel shift and chromatin immunoprecipitation assays indicated that G0S2 is a direct PPARgamma and probable PPARalpha target gene with a functional PPRE (PPAR-responsive element) in its promoter. Up-regulation of G0S2 mRNA seemed to be specific for adipogenesis, and was not observed during osteogenesis or myogenesis. In 3T3-L1 fibroblasts, expression of G0S2 was associated with growth arrest, which is required for 3T3-L1 adipogenesis. Together, these data indicate that G0S2 is a novel target gene of PPARs that may be involved in adipocyte differentiation.