Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

Contribution of NFI-C to TGF-β1 signalling and tissue regeneration

Summary : Platelet Derived Growth Factor (PDGF) and Transforming Growth Factor-ß (TGF-ß) are two crucial growth factors in tissue repair and regeneration. They control migration and proliferation of macrophages and fibroblasts, as well as myofibroblast differentiation and synthesis of the new connective tissue. The transcription factor Nuclear Factor I-C (NFI-C) has been implicated in the TGF-ß pathway and regulation of extracellular matrix proteins in vitro. This suggests a possible implication of NFI-C in tissue repair. In this study, our purpose was to identify the NFI-C target genes in TGF-ß1 pathway activation and define the relationship between these two factors in cutaneous wound healing process. High-throughput genomic analysis in wild-type and NFI-C knock-out embryonic fibroblasts indicated that NFI-C acts as a repressor of the expression of genes which transcriptional activity is enhanced by TGF-ß. Interestingly, we found an over representation of genes involved in connective tissue inflammation and repair. In accordance with the genomic analysis, NFI-C-/- mice showed an improvement of skin healing during the inflammatory stage. Analysis of this new phenotype indicated that the expression of PDGFA and PDGF-Ra genes were increased in the wounds of NFI-C-/- mice resulting in early recruitment of macrophages and fibroblasts in the granulation tissue. In correlation with the stimulation effect of TGF-ß on myofibroblast differentiation we found an increased differentiation of these cells in null mice, providing a rationale for rapid wound closure. Thus, in the absence of NFI-C, both TGF-ß and PDGF pathways may be activated, leading to enhanced healing process. Therefore, the inhibition of NFI-C expression could constitute a suitable therapy for healing improvement. In addition, we identified a delay of hair follicle cycle initiation in NFI-C-/- mice. This prompted us to investigate the role of NFI-C in skin appendage. The transition from a quiescent to a proliferative phase requires a perfect timing of signalling modulation, leading to stem cell activation. As a consequence of cycle initiation delay in null mice, the activation of signalling involved in cell proliferation was also retarded. Interestingly, at the crucial moment of cell fate determination, we identified a decrease of CD34 gene in mutant mice. Since CD34 protein is involved in migration of multipotent cells, we suggest that NFI-C may be involved in stem cell mobilisation required for hair follicle renewal. Further investigations of the role of NFI-C in progenitor cell activation will lead to a better understanding of tissue regeneration and raise the possibility of treating alopecia with NFI-C-targeting treatment. In summary, this study demonstrates new regenerative functions of NFI-C in adult mice, which regulates skin repair and hair follicle renewal. Résumé : PDGF et TGF-ß sont des facteurs important du mécanisme de défense immunitaire. Ils influencent la prolifération et migration des macrophages et des fibroblastes, ainsi que la différenciation des myofibroblastes et la formation du nouveau tissu conjonctif. Le facteur de transcription NFI-C a été impliqué dans la voie de signalisation de TGF-ß et dans 1a régulation de l'expression des protéines de la matrice extracellulaire in vitro. Ces études antérieures laissent supposer que NFI-C serait un facteur important du remodelage tissulaire. Cependant le rôle de NFI-C dans un tissu comme la peau n'a pas encore été étudié. Dans ce travail, le but a été de d'identifier la relation qu'il existe entre I~1FI-C et TGF-ßl à un niveau transcriptionnel et dans le processus de cicatrisation cutanée in vivo. Ainsi, une analyse génétique à grande échelle, a permis d'indiquer que NFI-C agit comme un répresseur sur l'expression des gènes dont l'activité transcriptionnelle est activée par TGF-ß. De plus nous avons identifié un groupe de gènes qui controlent le développement et l'inflammation du tissue conjonctif. En relation avec ce résultat, l'absence de NFI-C dans la peau induit une cicatrisation plus rapide pendant la phase inflammatoire. Durant cette période, nous avons montré que les expressions de PDGFA et PDGFRa seraient plus élevées en absence de NFI-C. En conséquence, l'activation de la voie de PDGF induit une infiltration plus importante des macrophages et fibroblastes dans le tissue granuleux des souris mutantes. De plus, en corrélation avec le rôle de TGF-ßl dans la différenciation des myofibroblasts, nous avons observé une différenciation plus importante de ces cellules chez les animaux knock-out, ce qui peut expliquer une contraction plus rapide de la plaie. De plus, nous avons découvert que NFI-C est impliqué dans l'initiation du cycle folliculaire. La caractérisation de ce nouveau phénotype a montré un ralentissement de la transition telogène-anagène des souris NFI-C-/-. Or, un événement clé de cette transition est la modulation de plusieurs signaux moléculaires aboutissant à' l'activation des cellules souches. En corrélation avec le decalage du cycle, l'activation de ces signaux est également décalée dans les souris NFI-C-/-. Ainsi, au commencement de l'anagène, la prolifération des keratinocytes,NFI-C-/- est retardée et corrèle avec une diminution de l'expression de CD34, une protéine responsable de la détermination du migration des cellules multipotentes. Ainsi, NFI-C semble être impliqué dans la mobilisation des cellules souches qui sont nécessaires au renouvellement folliculaire. En résumé, NFI-C est impliqué dans la régulation des signaux moléculaires nécessaires à la réparation tissulaire et son inhibition pourrait constituer un traitement de la cicatrisation. L'analyse de son rôle dans l'activation des cellules souches permettrait de mieux comprendre le renouvellement tissulaire et, à long terme, d'améliorer les techniques de greffe des cellules souches épithéliales ou consituter une cible pour le traitement de l'alopecie.

The tumour suppressor LATS2 interacts with both Signalosome and E3 ubiquitin ligases : implications in control of cell cycle progression

SUMMARY LATS2 is a member of the Lats tumour suppressor gene family. The human LATS2 gene is located at chromosome 13q11-12, which has been shown to be a hot spot (67%) for LOH in nonsmall cell lung cancer. Both lats mosaic flies and LATS1 deficient mice spontaneously develop tumours, an observation that is explained by the function of LATS1 in suppressing tumourigenesis by negatively regulating cell proliferation by modulating Cdc2/Cyclin A activity. LATS1 also plays a critical role in maintenance of ploidy through its action on the spindle assembly checkpoint. Initial insights into the function of LATS2 reveals that the protein is involved in the G2/M transition of the cell cycle, whereby it controls the phosphorylation status of Cdc25C. The aim of the present study was to identify LATS2 interacting partners that would provide a more thorough understanding of the molecular pathways in which the protein is involved. The yeast two-hybrid system identified a number of candidate genes that interact with LATS2. Most of the interactions were confirmed biochemically by GST-pull down assays that enabled us to demonstrate that LATS2 is an integral component of the Signalosome complex. The Signalosome is thought to be required for the establishment of functional Cullin-based E3 ubiquitin ligases, the substrate-recognition elements of the ubiquitin-mediated protein proteolytic pathway. The findings that LATS2 also interacts with all of the components of the E3 enzymes allows us to postulate that LATS2 is probably involved in the regulation of this Signalosome-E3 super-complex. In addition, the discovery that LATS2 associates with multiple protein kinases localised at the cellular membrane and in various signalling cascades supports the idea that LATS2 functions as an integrator of signals which allows it to monitor the activity of these pathways and translate these signals through its action on the Signalosome. Furthermore, the observation that a kinase-dead LATS2 mutant arrests at the G2/M phase of the cell cycle, demonstrates that the protein, through the action of its kinase domain, is crucial for progression through the cell cycle, an action in accordance to its proposed role as a regulator of E3 ubiquitin ligases. The findings presented herein provide evidence that LATS2 associates with the Signalosome-E3 ubiquitin ligases super-complex which governs protein stability. Any alteration of the protein would have a strong impact on pathways that modulate cell proliferation, as shown by its implication in tumourigenesis. RESUME LATS2 est un membre de la famille de gènes suppresseurs de tumeurs LATS. Le gène humain LATS2 est situé sur le chromosome 13q11-12, une région qui s'est avérée être un point sensible (67%) dans la perte d'hétérozigosité (LOH) notamment pour le cancer du poumon. Le fait que des tumeurs se développent spontanément chez les souris qui sont déficientes pour le gène LATS1 ainsi que dans des cellules mutantes pour LATS chez la Drosophile, est expliqué Par la fonction de LATS1, qui est de supprimer l'apparition de tumeurs en réprimant la prolifération cellulaire à travers sa capacité à réguler l'activité de Cdc2/Cyciine A. LATS1 joue également un rôle important au niveau du maintient de la ploïdie de la cellule, au travers de son action sur les points de contrôle de l'assemblage du fuseau mitotique. Les premières études du gène LATS2 indiquent que la protéine est, par son contrôle des réactions de phosphorylation de la Cdc25C, impliquée dans la transition 021M. Le but de cette étude était d'identifier les protéines qui interagissent avec LATS2, en vue d'obtenir une compréhension plus approfondie des mécanismes moléculaires dans lesquels LATS2 se trouve engagée. Le système de double-hybride chez la levure a permis l'identification d'un grand nombre de gènes qui interagissent avec LATS2. La plupart des interactions ont été confirmées par GST «pull clown», une technique in vitro qui a permis de démontrer que LATS2 est un composant intégral du Signalosome. Ce complexe est supposé réguler l'activité des E3 ubiquitine-rigases, les éléments responsables du recrutement des substrats qui doivent être recyclés par la voie de dégradation ubiquitine-dépendante. Les résultats obtenus indiquent également que LATS2 interagit avec tous les composants des enzymes E3, ce qui nous permet de soumettre l'idée selon laquelle la protéine LATS2 est en fait impliquée dans la régulation du complexe Signalosorne-E3. De plus, la découverte que LATS2 se trouve associée à plusieurs protéines kinases localisées au niveau de la membrane cellulaire, ainsi que dans diverses voies de transduction, confirment l'idée que LATS2 fonctionne en tant que molécule qui intègre les signaux en provenance de ces différentes voies cellulaires. De ce fait, il lui serait possible de coordonner la destruction des protéines au moyen du complexe Signalosome, permettant ainsi de réprimer l'activité des voies de signalisation. En outre, l'introduction d'une mutation dans le domaine kinase de LATS2 résulte en l'arrêt du cycle cellulaire en G2/M, ce qui montre que la protéine, au travers de son domaine kinase, est cruciale pour le bon fonctionnement du cycle cellulaire, ceci en accord avec son rôle proposé comme régulateur des E3 ubiquitine-ligases. Les résultats présentés dans ce manuscrit démontrent que la protéine LATS2 se trouve associée au complexe Signalosome-E3 qui régule la dégradation des protéines. La moindre modification de la protéine engendrerait des répercussions importantes au niveau des voies de transduction qui contrôlent fa prolifération ceilulaire, ce qui atteste du rôle déterminant que joue LAT32 dans la tumorigénèse.

Role of ENaC in skin wound healing and phenotypic analysis of GILZ-deficient mice

In my first project, I analyzed the role of the amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC) in the skin during wound healing. ENaC is present in the skin and a function in keratinocyte differentiation and barrier formation has been demonstrated. Previous findings suggested, that ENaC might be implicated in keratinocyte migration, although its role in wound healing was not analyzed yet. Using skin-specific (K14-Cre) conditional ENaC knockout and overexpressing mice, I determined the wound closure kinetic and performed morphometric measurements. The time course of wound repair was not significantly different in knockouts or transgenics when compared to control mice and the morphology of the closing wound was not altered. In my second project, I studied the glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ, Tsc22d3). GILZ is widely expressed and an important role has been predicted in immunity, adipogenesis and renal sodium handling. Mice were generated that constitutively lack all the functional domains of the Gilz gene. In these mice, the expression of GILZ mRNA transcripts and protein were completely abolished in all tissues tested. Surprisingly, knockout mice survived. To test whether GILZ mimicks glucocorticoid action, we studied its implication in T- and B- cell development and in a model of sepsis. We measured cytokine secretion in different inflammatory models, like in peritoneal and bone marrow-derived macrophages, in splenocytes and a model of sepsis. In all our experiments, cytokine secretion from GILZ- deficient cells was not different from controls. From 6 months onwards, knockout mice contained significantly less body fat and were lighter. Following sodium and water deprivation experiments, water and salt homeostasis was preserved. Sterility of knockout males was associated with a severe testis dysplasia, smaller seminiferous tubules, the number of Sertoli and germ cell was reduced while increased apoptosis, but not cell proliferation, was evidenced. The interstitial Leydig cell population was augmented, and higher plasma FSH and testosterone levels were found. Interestingly, the expression of the target gene Ppar2 was diminished in the testis and in the liver, but not in the skin, kidney or fat. Tsc22d1 mRNA transcript level was found to be upregulated in testis, but not in the kidney or fat tissue. In most tissue, excepted the testis, GILZ-deficient mice reveal functional redundancy amongst members of the Tsc22d family or genes involved in the same regulatory pathways. In summary, contrarily to the published in vitro data, GILZ does not play a crucial role attributed in immunology or inflammation, but we identified a novel function in spermatogenesis. -- Dans mon premier projet, j'ai analysé le rôle du canal épithélial sodique sensible à l'amiloride (ENaC) dans la cicatrisation de la peau. ENaC est présent dans la peau et il a une fonction dans la différenciation des kératinocytes et dans la formation de la barrière. Des études suggèrent qu'ENaC pourrait être impliqué dans la migration des kératinocytes, cependant, son rôle dans la cicatrisation n'a pas encore été étudié. A l'aide de souris qui surexpriment ou qui sont knockout pour ENaC, spécifiquement dans la peau (K14-Cre), j'ai analysé le temps de clôture de la cicatrice et j'ai aussi étudié la morphologie de la plaie guérissant. Chez les souris qui surexpriment ou chez les knockouts, la vitesse de fermeture et la morphologie de la cicatrice étaient identiques aux souris contrôles. Dans mon second projet, j'ai étudié le glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ, Tsc22d3). GILZ est largement exprimé et un rôle important a été prédit dans l'immunité, l'adipogénèse et le transport sodique rénal. Des souris ont été générées dont les domaines fonctionnels du gène Gilz sont éliminés. L'expression de GILZ en ARNm et protéine a été complètement abolie dans tous les tissus testés. Étonnamment, ces souris knockout survivent. Afin de tester si GILZ imite les effets des glucocorticoïdes, nous avons étudié son implication dans le développement des cellules T et B ainsi qu'un modèle de septicémie. Nous avons mesuré la sécrétion de cytokines à partir de différents modèles d'inflammation tels que des macrophages péritonéaux ou de moelle, de splénocytes ou encore d'un modèle de septicémie. Dans toutes nos expériences, la sécrétion de cytokines de cellules GILZ-déficientes était semblable. Dès 6 mois, les knockouts contenaient significativement moins de graisses et étaient plus légères. Suite à une privation sodique et aqueuse, l'homéostasie du sel et de l'eau était préservée. Les mâles knockouts présentaient une stérilité accompagnée d'une dysplasie testiculaire sévère, de tubules séminifères étaient plus petits et contenaient un nombre réduit de cellules de Sertoli et de cellules germinales. L'apoptose était augmentée dans ces cellules mais pas la prolifération cellulaire. Le nombre de cellules de Leydig était aussi plus élevé, ainsi que la FSH et la testostérone. L'expression du gène cible Pparγ2 était diminuée dans le testicule et le foie, mais pas dans la peau, le rein ou le tissu adipeux. L'ARNm de Tsc22d1 était plus exprimé dans le testicule, mais pas dans le rein ou le tissu adipeux. Dans la plupart des tissus, sauf le testicule, les souris knockouts révélaient une redondance fonctionnelle des autres membres de la famille Tsc22d ou de gènes impliqués dans les mêmes voies de régulation. En résumé, contrairement aux données in vitro, GILZ ne joue pas un rôle essentiel en immunologie, mais nous avons identifié une nouvelle fonction dans la spermatogénèse.

Characterization of high osmolarity-induced vacuole fragmentation in "Saccharomyces c."

La majorité des organelles d'une cellule adaptent leur nombre et leur taille pendant les processus de division cellulaire, de trafic vésiculaire ou suite à des changements environnementaux par des processus de fusion et de fragmentation membranaires. Ceci est valable notamment pour le golgi, les mitochondries, les péroxisomes et les lysosomes. La vacuole est le compartiment terminal de la voie endocytaire dans la levure Saccharomyces cerevisiae\ elle correspond aux lysosomes des cellules mammifères. Suite à un choc hyperosmotique, la vacuole se fragmente en plusieurs petites vésicules. Durant ce projet, cette fragmentation a été étudiée en utilisant la technique de microscopie confocale in vivo. J'ai observé que la division de la vacuole se produit d'une façon asymétrique. La première minute après le choc osmotique, les vacuoles rétrécissent et forment des longues invaginations tubulaires. Cette phase est dépendante de la protéine Vps1, un membre de la famille des protéines apparentées à la dynamine, ainsi que d'un gradient transmembranaire de protons. Pendant les 10-15 minutes qui suivent, des vésicules se détachent dans les régions où l'on observe les invaginations pendant la phase initiale. Cette deuxième phase qui mène à la fission des nouveaux compartiments vacuolaires dépend de la production du lipide PI(3,5)P2 par la protéine Fab1. J'ai établi la suite des événements du processus de fragmentation des vacuoles et propose la possibilité d'un rôle régulateur de la protéine kinase cycline-dépendante Pho85.¦En outre, j'ai tenté d'éclaircir plus spécifiquement le rôle de Vps1 pendant la fusion et fission des vacuoles. J'ai trouvé que tous les deux processus sont dépendants de l'activité GTPase de cette protéine. De plus l'association avec la membrane vacuolaire paraît régulée par le cycle d'hydrolyse du GTP. Vps1 peut lier la membrane sans la présence d'un autre facteur protéinique, ce qui permet de conclure à une interaction directe avec des lipides de la membrane. Cette interaction est au moins partiellement effectuée par le domaine GTPase, ce qui est une nouveauté pour un membre de cette famille de protéines. Une deuxième partie de Vps1, nommée insert B, est impliquée dans la liaison à la vacuole, soit par interaction directe avec la membrane, soit par régulation du domaine GTPase. En assumant que Vps1 détienne deux régions capables de liaison aux membranes, je conclus qu'elle pourrait fonctionner comme facteur de « tethering » lors de la fusion des vacuoles.¦-¦La cellule contient plusieurs sous-unités, appelées organelles, possédant chacune une fonction spécifique. Dépendant des processus qui s'y déroulent à l'intérieur, un environnement chimique spécifique est requis. Pour maintenir ces différentes conditions, les organelles sont séparées par des membranes. Lors de la division cellulaire ou en adaptation à des changements de milieu, les organelles doivent être capables de modifier leur morphologie. Cette adaptation a souvent lieu par fusion ou division des organelles. Le même principe est valable pour la vacuole dans la levure. La vacuole est une organelle qui sert principalement au stockage des aliments et à la dégradation des différents composants cellulaires. Alors que la fusion des vacuoles est un processus déjà bien décrit, la fragmentation des vacuoles a jusqu'ici été peu étudiée. Elle peut être induit par un choc osmotique: à cause de la concentration de sel élevé dans le milieu, le cytosol de la levure perd de l'eau. Par un flux d'eau de la vacuole au cytosol, la cellule est capable d'équilibrer celui-ci. Quand la vacuole perd du volume, elle doit réadapter le rapport entre surface membranaire et volume, ce qui se fait efficacement par une fragmentation d'une grande vacuole en plusieurs petites vésicules. Comment ce processus se déroule d'un point de vue morphologique n'a pas été décrit jusqu'à présent. En analysant la fragmentation vacuolaire par microscopie, j'ai trouvé que celle-ci se déroule en deux phases. Pendant la première minute suivant le choc osmotique, les vacuoles rétrécissent et forment des longues invaginations tubulaires. Cette phase dépend de la protéine Vps1, un membre de la famille des protéines apparentées à la dynamine, ainsi que du gradient transmembranaire de protons. Ce gradient s'établit par une pompe membranaire, la V-ATPase, qui transporte des protons dans la vacuole en utilisant l'énergie libérée par hydrolyse d'ATP. Après cette phase initiale, la formation de nouvelles vésicules vacuolaires dépend de la synthèse du lipide PI(3,5)P2.¦Dans la deuxième partie de l'étude, j'ai tenté de décrire comment Vps1 lie la membrane pour effectuer un remodelage de la vacuole. Vps1 est nécessaire pour la fusion et la fragmentation des vacuoles. J'ai découvert que tous les deux processus dépendent de sa capacité d'hydrolyser du GTP. Ainsi l'association avec la membrane est couplée au cycle d'hydrolyse du GTP. Vps1 peut lier la membrane sans la présence d'une autre protéine, et interagit donc très probablement avec les lipides de la membrane. Deux parties différentes de la protéine sont impliquées dans la liaison, dont une, inattendue, le domaine GTPase.¦-¦Numerous organelles undergo membrane fission and fusion events during cell division, vesicular traffic, or in response to changes in environmental conditions. Examples include Golgi (Acharya et al., 1998) mitochondria (Bleazard et al., 1999) peroxisomes (Kuravi et al., 2006) and lysosomes (Ward et al., 1997). In the yeast Saccharomyces cerevisiae the vacuole is the terminal component of the endocytic pathway and corresponds to lysosomes in mammalian cells. Yeast vacuoles fragment into multiple small vesicles in response to a hypertonic shock. This rapid and homogeneous reaction can serve as a model to study the requirements of the fragmentation process. Here, I investigated osmotically induced fragmentation by time-lapse microscopy. I observe that the small fragmentation products originate directly from the large central vacuole by asymmetric scission rather than by consecutive equal divisions and that fragmentation occurs in two distinct phases. During the first minute, vacuoles shrink and generate deep invaginations, leaving behind tubular structures. This phase requires the dynamin-like GTPase Vps1 and the vacuolar proton gradient. In the subsequent 10-15 minutes, vesicles pinch off from the tubular structures in a polarized fashion, directly generating fragmentation products of the final size. This phase depends on the production of phosphatidylinositol- 3,5-bisphosphate by the Fab1 complex. I suggest a possible regulation of vacuole fragmentation by the CDK Pho85. Based on my microscopy study I established a sequential involvement of the different fission factors.¦In addition to the morphological description of vacuole fragmentation I more specifically aimed to shed some light on the role of Vps1 in vacuole fragmentation and fusion. I find that both functions are dependent on the GTPase activity of the protein and that also the membrane association of the dynamin-like protein is coupled to the GTPase cycle. I found that Vps1 has the capacity for direct lipid binding on the vacuole and that this lipid binding is at least partially mediated through residues in the GTPase domain, a complete novelty for a dynamin family member. A second stretch located in the region of insert Β has also membrane-binding activity or regulates the association with the vacuole through the GTPase domain. Under the assumption of two membrane-binding regions I speculate on Vps1 as a possible tethering factor for vacuole fusion.

Characterization of tumor antigen specific CD8+ T cells and semi-invariant Vα24/Vβ11 NKT cells in tumor invaded liver

Summary: Detailed knowledge on tumor antigen expression and specific immune cells is required for a rational design of immunotherapy for patients with tumor invaded liver. In this study, we confirmed that Cancer/Testis (CT) tumor-associated antigens are frequently expressed in hepatocellular carcinoma (HCC) and searched for the presence of CD8+ T cells specific for these antigens. In 2/10 HLA-A2+ patients with HCC, we found that MAGE-A10 and/or SSX-2 specific CD8+ T cells naturally responded to the disease, since they were enriched in tumor lesions but not in non-tumoral liver. Isolated T cells specifically and strongly killed tumor cells in vitro, suggesting that these CTL were selected in vivo for high avidity antigen recognition, providing the rational for specific immunotherapy of HCC, based on immunization with CT antigens such as MAGE-Al 0 and SSX-2. Type 1 NKT cells express an invariant TCR α chain (Vα24.1α18, paired with Vβ11 in human) and share a specific reactivity to αGalactosylceramide (αGC) presented by CD1d. These cells can display paradoxical immuno-regulatory properties including strong anti-tumor effects upon αGC administration in murine models. To understand why NKT cells were not sufficiently protective against tumor development in patients with tumor invaded liver, we characterized the diversity of Vα24/Vβ11 NKT cells in healthy donors (HD) and cancer patients: NKT cells from HD and patients were generally diverse in terms of TCR β chain (Vβ11) variability and NKT cells from HD showed a variable recognition of αGC loaded CD 1 d multimers. Vα24/ Vβ11 NKT cells can be divided in 3 populations, the CD4, DN (CD4-/CD8-) and CD8 NKT cell subsets that show distinct ability of cytokine production. In addition, our functional analysis revealed that DN and CD8 subsets displayed a higher cytolytic potential and a weaker IFNγ release than the CD4 NKT cell subset. NKT cell subsets were variably represented in the blood of HD and cancer patients. However, HD with high NKT cell frequencies displayed an enrichment of the DN and CD8 subsets, and few of them were suggestive of an oligoclonal expansion in vivo. Comparable NKT cell frequencies were found between blood, non-tumoral liver and tumor of patients. In contrast, we identified a gradual enrichment of CD4 NKT cells from blood to the liver and to the tumor, together with a decrease of DN and CD8 NKT cell subsets. Most patient derived NKT cells were unresponsive upon αGalactosylceramide stimulation ex vivo; NKT cells from few patients displayed a weak responsiveness with different cytokine polarization. The NKT cell repertoire was thus different in tumor tissue, suggesting that CD4 NKT cells infiltrating tumors may be detrimental for protection against tumors and instead may favour the tumor growth/recurrence as recently reported in mice. Résumé en français scientifique : Afin de développer le traitement des patients porteurs d'une tumeur dans le foie par immunothérapie, de nouvelles connaissances sont requises concernant l'expression d'antigènes par les tumeurs et les cellules immunitaires spécifiques de ces antigènes. Nous avons vérifié que des antigènes associés aux tumeurs, tels que les antigènes « Cancer-Testis » (CT), sont fréquemment exprimés par le carcinome hepatocéllulaire (CHC). La recherche de lymphocytes T CD8+ spécifiques (CTL) de ces antigènes a révélé que des CTL spécifiques de MAGE-A10 et/ou SSX-2 ont répondu naturellement à la tumeur chez 2/10 patients étudiés. Ces cellules étaient présentes dans les lésions tumorales mais pas dans le foie adjacent. De plus, ces CTL ont démontré une activité cytolytique forte et spécifique contre les cellules tumorales in vitro, ce qui suggère que ces CTL ont été sélectionnés pour une haute avidité de reconnaissance de l'antigène in vivo. Ces données fournissent une base pour l'immunothérapie spécifique du CHC, en proposant de cibler les antigènes CT tels que MAGE-A10 ou SSX-2. Les cellules NKT de type 1 ont une chaîne α de TCR qui est invariante (chez l'homme, Vα24Jα18, apparié avec Vβ11) et reconnaissent spécifiquement l'αGalactosylceramide (αGC) présenté par CD1d. Ces cellules ont des propriétés immuno¬régulatrices qui peuvent être parfois contradictoires et leur activation par l'αGC induit une forte protection anti-tumorale chez la souris: Afin de comprendre pourquoi ces cellules ne sont pas assez protectrices contre le développement des tumeurs dans le foie chez l'homme, nous avons étudié la diversité des cellules NKT Vα24/Vβ11 d'individus sains (IS) et de patients cancéreux. Les cellules NKT peuvent être sous-divisées en 3 populations : Les CD4, DN (CD4- /CD8-) ou CDS, qui ont la capacité de produire des cytokines différentes. Nos analyses fonctionnelles ont aussi révélé que les sous-populations DN et CD8 ont un potentiel cytolytique plus élevé et une production d'IFNγ plus faible que la sous-population CD4. Ces sous-populations sont représentées de manière variable dans le sang des IS ou des patients. Cependant, les IS avec un taux élevé de cellules NKT ont un enrichissement des sous- populations DN ou CDS, et certains suggèrent qu'il s'agit d'une expansion oligo-clonale in vivo. Les patients avaient des fréquences comparables de cellules NKT entre le sang, le foie et la tumeur. Par contre, la sous-population CD4 était progressivement enrichie du sang vers le foie et la tumeur, tandis que les sous-populations DN ou CD8 était perdues. La plupart des cellules NKT des patients ne réagissaient pas lors de stimulation avec l'αGC ex vivo et les cellules NKT de quelques patients répondaient faiblement et avec des polarisations de cytokines différentes. Ces données suggèrent que les cellules NKT CD4, prédominantes dans les tumeurs, sont inefficaces pour la lutte anti-tumorale et pourraient même favoriser la croissance ou la récurrence tumorale. Donc, une mobilisation spécifique des cellules NKT CD4 négatives par immunothérapie pourrait favoriser l'immunité contre des tumeurs chez l'homme. Résumé en français pour un large public Au sein des globules blancs, les lymphocytes T expriment un récepteur (le TCR), qui est propre à chacun d'entre eux et leur permet d'accrocher de manière très spécifique une molécule appelée antigène. Ce TCR est employé par les lymphocytes pour inspecter les antigènes associés avec des molécules présentatrices à la surface des autres cellules. Les lymphocytes T CD8 reconnaissent un fragment de protéine (ou peptide), qui est présenté par une des molécules du Complexe Majeur d'Histocompatibilité de classe I et tuent la cellule qui présente ce peptide. Ils sont ainsi bien adaptés pour éliminer les cellules qui présentent un peptide issu d'un virus quand la cellule est infectée. D'autres cellules T CD8 reconnaissent des peptides comme les antigènes CT, qui sont produits anormalement par les cellules cancéreuses. Nous avons confirmé que les antigènes CT sont fréquemment exprimés par le cancer du foie. Nous avons également identifié des cellules T CD8 spécifiques d'antigènes CT dans la tumeur, mais pas dans le foie normal de 2 patients sur 10. Cela signifie que ces lymphocytes peuvent être naturellement activés contre la tumeur et sont capables de la trouver. De plus les lymphocytes issus d'un patient ont démontré une forte sensibilité pour reconnaître l'antigène et tuent spécifiquement les cellules tumorales. Les antigènes CT représentent donc des cibles intéressantes qui pourront être intégrés dans des vaccins thérapeutiques du cancer du foie. De cette manière, les cellules T CD8 du patient lui-même pourront être induites à détruire de manière spécifique les cellules cancéreuses. Un nouveau type de lymphocytes T a été récemment découvert: les lymphocytes NKT. Quand ils reconnaissent un glycolipide présenté par la molécule CD1d, ils sont capables, de manière encore incomprise, d'initier, d'augmenter, ou à l'inverse d'inhiber la défense immunitaire. Ces cellules NKT ont démontré qu'elles jouent un rôle important dans la défense contre les tumeurs et particulièrement dans le foie des souris. Nous avons étudié les cellules NKT de patients atteints d'une tumeur dans le foie, afin de comprendre pourquoi elles ne sont pas assez protectrice chez l'homme. Les lymphocytes NKT peuvent être sous-divisés en 3 populations: Les CD4, les DN (CD4-/CD8-) et les CD8. Ces 3 classes de NKT peuvent produire différents signaux chimiques appelés cytokines. Contrairement aux cellules NKT DN ou CDS, seules les cellules NKT CD4 sont capables de produire des cytokines qui sont défavorables pour la défense anti-tumorale. Par ailleurs nous avons trouvé que les cellules NKT CD4 tuent moins bien les cellules cancéreuses que les cellules NKT DN ou CD8. L'analyse des cellules NKT, fraîchement extraites du sang, du foie et de la tumeur de patients a révélé que les cellules NKT CD4 sont progressivement enrichies du sang vers le foie et la tumeur. La large prédominance des NKT CD4 à l'intérieur des tumeurs suggère que, chez l'homme, ces cellules sont inappropriées pour la lutte anti-tumorale. Par ailleurs, la plupart des cellules NKT de patients n'étaient pas capables de produire des cytokines après stimulation avec un antigène. Cela explique également pourquoi ces cellules ne protègent pas contre les tumeurs dans le foie.

Identification of small RNAs in Pseudomonas species

Summary: Bacterial small RNAs (sRNAs) are transcripts most of which have regulatory functions. Sequence and secondary structure elements enable numerous sRNAs to interact with mRNAs or with regulatory proteins resulting in diverse regulatory effects on virulence, iron storage, organization of cell envelope proteins or stress response. sRNAs having high affinity for RsmA-like RNA-binding proteins are important for posttranscriptional regulation in various Gram-negative bacteria. In Pseudomonas spp., the GacS/GacA two component system positively controls the production of such sRNAs. They titrate RsmA-like proteins and thus overcome translational repression due to these proteins. As a consequence, secondary metabolites can be produced that are implicated in the biocontrol capacity of P. fluorescens or in the virulence of P. aeruginosa. A genome-wide search carried out in P. aeruginosa PAO1 and in closely related Pseudomonas spp. resulted in the identification of 15 genes coding for sRNAs. Eight of these are novel, the remaining seven have previously been observed. Among them, the 1698 sRNA gene was expressed under GacA control, whereas the transcription of 1887 sRNA gene was transcribed under the control of the anaerobic regulator Anr in an oxygen-limited environment. Overexpression of 1698 sRNA in P. fluorescens strain CHAO did not affect the expression of the GacA-regulated hcnA gene (first gene of the operon coding for HCN synthase), indicating that 1698 sRNA is probably not part of the secondary metabolite regulation pathway. The expression of 1698 sRNA was positively regulated by RpoS in both P. aeruginosa PAO 1 and P. ,fluorescens CHAO and appeared to be modulated temporarily by oxidative stress conditions. However, the effect of 1698 sRNA on oxidative stress survival has not yet been established. Hfq protein interacted with 1698 sRNA in vitro and improved 1698 sRNA expression in vivo in P. aeruginosa. In P. fluorescens, GacA and Hfq were both required for expression of rpoS and GacA showed a positively control on the hfq expression; therefore, at least in this organism, GacA control of 1698 sRNA expression may act indirectly via Hfq and RpoS. Different methods were employed to find abase-pairing target for 1698 sRNA. In a proteomic analysis carried out in P. aeruginosa, positive regulation by 1698 sRNA was observed for Soda, the iron-associated superoxide dismutase, an enzyme involved in oxidative stress resistance. A sequence complementary with 1698 sRNA was predicted to be located in the 5' leader of soda mRNA. However, base-pairing between soda mRNA and 1698 sRNA remains to be proven. In conclusion, this work has revealed eight novel sRNAs and novel functions of two sRNAs in Pseudomonas spp. Résumé Les petits ARNs non-codants (sRNAs) produits par les bactéries sont des transcrits ayant pour la plupart des activités régulatrices importantes. Leurs séquences nucléotidiques ainsi que leurs structures secondaires permettent aux sRNAs d'interagir soit avec des RNA messagers (mRNAs), de sorte à modifier l'expression des protéines pour lesquelles ils codent, soit avec des protéines régulatrices liant des rnRNAs, ce qui a pour effet de modifier l'expression de ces mRNAs. Des sRNAs sont impliqués dans diverses voies de régulation, telles que celles qui régissent la virulence, le stockage du fer, l'organisation des protéines de l'enveloppe bactérienne ou la réponse au stress. Chez les Pseudomonas spp., le système à deux composantes GacS/GacA contrôle la production de métabolites secondaires. Ceux-ci sont engagés dans l'établissement du biocontrôle, chez P. fluorescens, ou. de la virulence, chez P. aeruginosa. La régulation génique dirigée par le système GacS/GacA fait intervenir les sRNAs du type RsmZ, capables de contrecarrer l'action au niveau traductionnel exercée par les protéines régulatrices du type RsmA. Une recherche au niveau du génome a été menée chez P. aeruginosa PAO1 de même que chez des espèces qui lui sont étroitement apparentées, débouchant sur la mise en évidence de 15 gènes codant pour des sRNAs. Parmi ceux-ci, huit ont été découverts pour la première fois et sept confirment des travaux publiés. L'expression du gène du sRNAs 1698 s'avère être régulée par GacA, vraisemblablement de manière indirecte. La transcription du gène du sRNA 1887 montre une dépendance envers Anr, régulateur de l'anaérobiose, et envers une carence en oxygène. La surexpression du sRNA 1698 chez P. fluorescens CHAO n'affecte pas l'expression de hcnA, un gène du régulon GacA, laissant supposer que le sRNA n'intervient pas dans la régulation des métabolites secondaires. Chez P. aeruginosa PAOI et chez P. fluorescens CHAO, RpoS, le facteur sigma du stress, est nécessaire à l'expression du sRNA 1698, et la concentration de ce dernier est modulée par des conditions de stress oxydatif. Toutefois, un effet du sRNA 1698 quant à la survie suite au stress oxydatif n'a pas été établi. Par ailleurs, l'interaction entre le sRNA 1698 et Hfq, la protéine chaperone de RNAs, in vitro ainsi qu'un rôle positif de Hfq pour l'expression du sRNA 1698 in vivo ont été démontrés chez P. aeruginosa. L'induction de l'expression par GacA de rpoS et de hfq a été confirmée chez P. fluorescens CHAO, suggérant que la régulation par GacA du sRNA 1698 pourrait se faire par l'intermédiaire de RpoS et Hfq. Diverses méthodes ont été employées pour identifier un transcrit qui puisse être apparié par le sRNA 1698. Une analyse de protéome chez P. aeruginosa montre que l'expression de Soda, la superoxyde dismutase associée au fer, est positivement régulée par le sRNA 1698. Soda est une enzyme impliquée dans la résistance au stress oxydatif. Une séquence de complémentarité avec le sRNA 1698 a bien été prédite sur le leader 5' du mRNA de soda. Cependant, l'appariement entre le sRNA et son transcrit cible est encore à prouver. En conclusion, ce travail a dévoilé huit nouveaux sRNAs et de nouvelles fonctions pour deux sRNAs chez les Pseudomonas.

Water-filtered infrared-A radiation (wIRA) is not implicated in cellular degeneration of human skin

Rapport de synthèse : Introduction : le vieillissement cutané est un processus biologique complexe auquel participe une exposition excessive au rayonnement ultraviolet du soleil. En particulier, les longueurs d'onde des rayons ultraviolets A et B (UV-A et UV-B) peuvent induire une augmentation de la synthèse de protéases, comme la métalloprotéinase matricielle 1 (MMP-1), qui est impliquée dans le processus de vieillissement. La thermothérapie par infrarouges, dont les longueurs d'onde sont plus longues que celles des UV, est largement utilisée à des fins thérapeutiques ou cosmétiques. Or, il a été démontré que les infrarouges en filtration aqueuse (IRFA) pouvaient induire une augmentation de la production de MMP-1 et par conséquent être nocifs. Il serait donc intéressant d'évaluer les effets des IRFA au niveau cellulaire et moléculaire. But Expérimental : étudier les effets des lampes à infrarouges en filtration aqueuse utilisées en clinique sur des fibroblastes cutanés humains en culture, afin d'analyser l'expression du gène codant pour la protéine MMP-1. Méthode : des fibroblastes cutanés humain ont été irradiés d'une part avec approximativement 88% d'IRFA (780-1400 nm) et 12% de lumière rouge (LR, 665-780 nm) avec 380 mW/cm2 IRFA(+LR) (333 mW/cm2 IRFA) et d'autre part avec des UV-A comme contrôle. Des courbes de survie cellulaire ont été établies après une exposition allant de 15 minutes à 8 heures au IRFA(+LR) (340-10880 J/cm2 wIRA(+RL), 300-9600 J/cm2 wIRA) ou de 15 à 45 minutes aux UV-A(+BL) (25-75 J/cm2 UV-A(+BL). L'induction de l'ARNm du gène de la MMP-1 a été analysé dans les fibroblastes cutanés humain à deux températures physiologiques (30°C et 37°C) lors d'expositions uniques de 15 à 60 minutes aux IRFA(+LR) (340-1360 J/cm2 IRFA(+LR), 300-1200 J/cm2 IRFA) ou de 30 minutes aux UV-A(+BL) (50 J/cm2 UVA(+BL)). De plus, nous avons effectué des irradiations répétées, une a chaque passage cellulaire jusqu'au passage. 10 de 15 minutes d'IRFA(+LR) 340 J/cm2 IRFA(+LR), 300 J/cm2 IRFA) . Résultats : une exposition unique aux UV-A (+BL) entraîne chez des fibroblastes cutanés humains une augmentation de la mort cellulaire, ainsi qu'une forte augmentation de l'expression du gène codant pour la MMP-1. L'augmentation mise en évidence pour cet ARNm varie en fonction de la technique utilisée : elle est de 11 ± 1 fois par RT-PCR classique, de 76 ± 2 fois par RT-PCR quantitative à 30°C, et de 75 ± 1 fois par RT-PCR quantitative à 37°C. Par contre, une exposition unique ou répétée aux IRFA (+LR) n'induit aucune augmentation de la mort cellulaire, ni de l'expression de l'ARNm de la MMP-1 chez ces fibroblastes. Conclusions : les résultats de cette étude montrent que, contrairement aux rayons ultraviolets, les IRFA (+LR) ne semblent impliqués ni dans le vieillissement, ni dans la mort cellulaire, même utilisés à des doses très élevées. Ces résultats sont en accord avec certaines investigations in vivo montrant une induction de MMP-1 par des UV et non des infrarouges. Ces dernières études suggèrent d'ailleurs plutôt un rôle protecteur des IRFA (+LR).

Survival responses in stressed organs

Apoptosis or programmed cell death is a regulated form of cell suicide executed by cysteine proteases, or "caspases", to maintain proper tissue homeostasis in multicellular organisms. Dysregulation of apoptosis leads to pathological complications including cancer, autoimmunity, neurodegenerative, and heart diseases. Beside their known function as the key executioners of apoptotic cell death, caspases were reported to mediate non-apoptotic functions. In this report we study the survival signals conveyed through caspase-3-mediated cleavage of Ras GTPase-activating proteins (RasGAP). Ubiquitously expressed, RasGAP senses caspase activity and controls the cell death/survival switch. RasGAP is cleaved once at low caspase activity and the generated N-terminal fragment (fragment N) induces a survival response by activating Ras/PI3K/Akt pathway. However, high caspase activity associated with increased stress leads to fragment Ν cleavage into fragments that do not mediate any detectable survival signals. In this thesis project we studied the role of fragment Ν in protecting stressed organs as well as in maintenance of their functionality. In response to stress in different organs, we found that mice lacking caspase-3 or unable to cleave RasGAP (Knock-In mice), and therefore unable to generate fragment N, were deficient in Akt activation and experienced increased apoptosis compared to wild-type mice. Augmented tissue damage and organ dysfunction in those mice highlight the importance of fragment Ν in activating Akt-mediated prosurvival pathway and in protection of organs during episodes of stress. In parallel we investigated the role of fragment Ν in regulating the activation of transcription factor NF-kB, a master regulator of inflammation. Sustained NF-kB activation may be detrimental by directly causing apoptosis or leading to a persistent damaging inflammation response. We found that fragment Ν is a potent inhibitor of NF-kB by favoring its nuclear export. Therefore, fragment Ν regulates NF-kB activity and contributes to a controlled response as well as maintenance of homeostasis in stressed cells. Importantly, these findings introduce new insights of how activated caspase-3 acts as a stress intensity sensor that controls cell fate by either initiating a fragment N- dependent cell resistance program or a cell suicide response. This identifies the pivotal role of fragment Ν in protection against patho-physiological damage, and encourages the development of therapies which aim to increase cell resistance to vigorous treatment. - L'apoptose, ou mort cellulaire programmée, est une forme contrôlée de suicide cellulaire exécuté par des protéines appelées caspases, dans le but de maintenir l'homéostasie des tissus sains dans les organismes multicellulaires. Un mauvais contrôle de l'apoptose peut mener à des pathologies comme le cancer, la neurodégénération et les maladies cardiaques et auto-immunes. En dehors de leur rôle connu d'exécutrices de l'apoptose, les caspases ont aussi été identifiées dans d'autres contextes non-apoptotiques. Dans ce projet, nous avons étudié les signaux de survie émis par le résultat du clivage de RasGAP par la caspase-3. Exprimée de façon ubiquitaire, RasGAP est sensible à l'activité de caspase-3 et contrôle la décision de la cellule à entreprendre la mort ou la survie cellulaire. A un taux d'activité faible, la caspase-3 clive RasGAP, ce qui mène à la génération d'un fragment N-terminal, appelé Fragment N, qui induit des signaux de survie via l'activation de la cascade Ras/PI3K/Akt. Cependant, lorsque l'activité de la caspase-3 augmente, le fragment N est clivé, ce qui a pour effet d'éliminer ces signaux de survie. Dans ce travail, nous avons étudié le rôle du Fragment N dans la protection des organes en état de stress et dans le maintien de leur fonctionnalité. En réponse à certains stress, nous avons découvert que les organes de souris n'exprimant pas la caspase-3 ou alors incapables de cliver RasGAP (souris Kl), et de ce fait n'ayant pas la possibilité de générer le Fragment N, perdaient leur faculté d'activer la protéine Akt et démontraient un taux d'apoptose plus élevé que des organes de souris sauvages. Le fait que les organes et tissus de ces souris manifestaient de graves dommages et dysfonctions met en évidence l'importance du Fragment N dans l'activation des signaux de survie via la protéine Akt et dans la neutralisation de l'apoptose induite par la caspase-3. En parallèle, nous avons investigué le rôle du Fragment N dans la régulation de l'activation de NF-kB, un facteur de transcription clé dans l'inflammation. Une activation soutenue de NF-kB peut être délétère par activation directe de l'apoptose ou peut mener à une réponse inflammatoire persistante. Nous avons découvert que le Fragment N, en favorisant l'export de NF-kB depuis le noyau, était capable de l'inhiber très efficacement. Le Fragment N régule donc l'activité de NF-kB et contribue au maintien de l'homéostasie dans des cellules stressées. Ces découvertes aident, de façon importante, à la compréhension de comment l'activation de la caspase-3 agit comme senseur de stress et décide du sort de la cellule soit en initiant une protection par le biais du fragment N, ou en induisant un suicide cellulaire. Cette étude définit le Fragment Ν comme ayant un rôle de pivot dans la protection contre des dommages patho-physiologiques, et ouvre des perspectives de développement de thérapies qui cibleraient à augmenter la résistance à divers traitements.

Regulation of the epithelial Na+ channel ENaC by Tsg101 in renal epithelial cells

Kidneys are the main regulator of salt homeostasis and blood pressure. In the distal region of the tubule active Na-transport is finely tuned. This transport is regulated by various hormonal pathways including aldosterone that regulates the reabsorption at the level of the ASDN, comprising the late DCT, the CNT and the CCD. In the ASDN, the amiloride-sensitive epithelial Na-channel (ENaC) plays a major role in Na-homeostasis, as evidenced by gain-of function mutations in the genes encoding ENaC, causing Liddle's syndrome, a severe form of salt-sensitive hypertension. In this disease, regulation of ENaC is compromised due to mutations that delete or mutate a PY-motif in ENaC. Such mutations interfere with Nedd4-2- dependent ubiquitylation of ENaC, leading to reduced endocytosis of the channel, and consequently to increased channel activity at the cell surface. After endocytosis ENaC is targeted to the lysosome and rapidly degraded. Similarly to other ubiquitylated and endocytosed plasma membrane proteins (such as the EGFR), it is likely that the multi-protein complex system ESCRT is involved. To investigate the involvement of this system we tested the role of one of the ESCRT proteins, Tsg101. Here we show that Tsg101 interacts endogenously and in transfected HEK-293 cells with all three ENaC sub-units. Furthermore, mutations of cytoplasmic lysines of ENaC subunits lead to the disruption of this interaction, indicating a potential involvement of ubiquitin in Tsg101 / ENaC interaction. Tsg101 knockdown in renal epithelial cells increases the total and cell surface pool of ENaC, thus implying TsglOl and consequently the ESCRT system in ENaC degradation by the endosomal/lysosomal system. - Les reins sont les principaux organes responsables de la régulation de la pression artérielle ainsi que de la balance saline du corps. Dans la région distale du tubule, le transport actif de sodium est finement régulé. Ce transport est contrôlé par plusieurs hormones comme l'aldostérone, qui régule la réabsorption au niveau de l'ASDN, segment comprenant la fin du DCT, le CNT et le CCD. Dans l'ASDN, le canal à sodium épithélial sensible à l'amiloride (ENaC) joue un rôle majeur dans l'homéostasie sodique, comme cela fut démontré par les mutations « gain de fonction » dans les gênes encodant ENaC, causant ainsi le syndrome de Liddle, une forme sévère d'hypertension sensible au sel. Dans cette maladie, la régulation d'ENaC est compromise du fait des mutations qui supprime ou mute le domaine PY présent sur les sous-unités d'ENaC. Ces mutations préviennent l'ubiquitylation d'ENaC par Nedd4-2, conduisant ainsi à une baisse de l'endocytose du canal et par conséquent une activité accrue d'ENaC à la surface membranaire. Après endocytose, ENaC est envoyé vers le lysosome et rapidement dégradé. Comme d'autres protéines membranaires ubiquitylées et endocytées (comme l'EGFR), il est probable que le complexe multi-protéique ESCRT est impliqué dans le transport d'ENaC au lysosome. Pour étudier l'implication du système d'ESCRT dans la régulation d'ENaC nous avons testé le rôle d'une protéine de ces complexes, TsglOl. Notre étude nous a permis de démontrer que TsglOl se lie aux trois sous-unités ENaC aussi bien en co-transfection dans des cellules HEK-293 que de manière endogène. De plus, nous avons pu démontrer l'importance de l'ubiquitine dans cette interaction par la mutation de toutes les lysines placées du côté cytoplasmique des sous-unités d'ENaC, empêchant ainsi l'ubiquitylation de ces sous-unités. Enfin, le « knockdown » de TsglOl dans des cellules épithéliales de rein induit une augmentation de l'expression d'ENaC aussi bien dans le «pool» total qu'à la surface membranaire, indiquant ainsi un rôle pour TsglOl et par conséquent du système d'ESCRT dans la dégradation d'ENaC par la voie endosome / lysosome. - Le corps humain est composé d'organes chacun spécialisé dans une fonction précise. Chaque organe est composé de cellules, qui assurent la fonction de l'organe en question. Ces cellules se caractérisent par : - une membrane qui leur permet d'isoler leur compartiment interne (milieu intracellulaire ou cytoplasme) du liquide externe (milieu extracellulaire), - un noyau, où l'ADN est situé, - des protéines, sortent d'unités fonctionnelles ayant une fonction bien définie dans la cellule. La séparation entre l'extérieure et l'intérieure de la cellule est essentielle pour le maintien des composants de ces milieux ainsi que pour la bonne fonction de l'organisme et des cellules. Parmi ces composants, le sodium joue un rôle essentiel car il conditionne le maintien de volume sanguin en participant au maintien du volume extracellulaire. Une augmentation du sodium dans l'organisme provoque donc une augmentation du volume sanguin et ainsi provoque une hypertension. De ce fait, le contrôle de la quantité de sodium présente dans l'organisme est essentiel pour le bon fonctionnement de l'organisme. Le sodium est apporté par l'alimentation, et c'est au niveau du rein que va s'effectuer le contrôle de la quantité de sodium qui va être retenue dans l'organisme pour le maintien d'une concentration normale de sodium dans le milieu extracellulaire. Le rein va se charger de réabsorber toutes sortes de solutés nécessaires pour l'organisme avant d'évacuer les déchets ou le surplus de ces solutés en produisant l'urine. Le rein va se charger de réabsorber le sodium grâce à différentes protéines, parmi elle, nous nous sommes intéressés à une protéine appelée ENaC. Cette protéine joue un rôle important dans la réabsorption du sodium, et lorsqu'elle fonctionne mal, comme il a pu être observé dans certaines maladies génétiques, il en résulte des problèmes d'hypo- ou d'hypertension. Les problèmes résultant du mauvais fonctionnement de cette protéine obligent donc la cellule à réguler efficacement ENaC par différents mécanismes, notamment en diminuant son expression et en dégradant le « surplus ». Dans cette travail de thèse, nous nous sommes intéressés au mécanisme impliqué dans la dégradation d'ENaC et plus précisément à un ensemble de protéines, appelé ESCRT, qui va se charger « d'escorter » une protéine vers un sous compartiment à l'intérieur de la cellule ou elle sera dégradée.

Implication of DNA methylation and PAX5 factor in the transcriptional regulation of hTERT, the human telomerase reverse transcriptase gene

RESUME La télomérase est une enzyme dite "d'immortalité" qui permet aux cellules de maintenir la longueur de leurs télomères, ce qui confère une capacité de réplication illimitée aux cellules reproductrices et cancéreuses. A l'inverse, les cellules somatiques normales, qui n'expriment pas la télomérase, ont une capacité de réplication limitée. La sous-unité catalytique de la télomérase, hTERT, est définie comme le facteur limitant l'activité télomérasique. Entre activateurs et répresseurs, le rôle de la méthylation de l'ADN et de l'acétylation des histones, de nombreux modèles ont été suggérés. La découverte de l'implication de CTCF dans la régulation transcriptionnelle de hTERT explique en partie le mécanisme de répression de la télomérase dans la plupart des cellules somatiques et sa réactivation dans les cellules tumorales. Dans les cellules télomérase-positives, l'activité inhibitrice de CTCF est bloquée par un mécanisme dépendent ou non de la méthylation. Dans la plupart des carcinomes, une hyperméthylation de la région 5' de hTERT bloque l'effet inhibiteur de CTCF, alors qu'une petite région hypométhylée permet un faible niveau de transcription du gène. Nous avons démontré que la protéine MBD2 se lie spécifiquement sur la région 5' méthylée de hTERT dans différentes lignées cellulaires et qu'elle est impliquée dans la répression partielle de la transcription de hTERT dans les cellules tumorales méthylées. Par contre, nous avons montré que dans les lymphocytes B normaux et néoplasiques, la régulation de hTERT est indépendante de la méthylation. Dans ces cellules, le facteur PAX5 se lie sur la région 5' de hTERT en aval du site d'initiation de la traduction (ATG). L'expression exogène de PAX5 dans les cellules télomérase-négatives active la transcription de hTERT, alors que la répression de PAX5 dans les cellules lymphomateuses inhibe la transcription du gène. PAX5 est donc directement impliqué dans l'activation de l'expression de hTERT dans les lymphocytes B exprimant la télomérase. Ces résultats révèlent des différences entre les niveaux de méthylation de hTERT dans les cellules de carcinomes et les lymphocytes B exprimant la télomérase. La méthylation de hTERT en tant que biomarqueur de cancer a été évaluée, puis appliquée à la détection de métastases. Nous avons ainsi montré que la méthylation de hTERT est positivement corrélée au diagnostic cytologique dans les liquides céphalorachidiens. Nos résultats conduisent à un modèle de régulation de hTERT, qui aide à comprendre comment la transcription de ce gène est régulée par CTCF, avec un mécanisme lié ou non à la méthylation du gène hTERT. La méthylation de hTERT s'est aussi révélée être un nouveau et prometteur biomarqueur de cancer. SUMMARY Human telomerase is an "immortalizing" enzyme that enables cells to maintain telomere length, allowing unlimited replicative capacity to reproductive and cancer cells. Conversely, normal somatic cells that do not express telomerase have a finite replicative capacity. The catalytic subunit of telomerase, hTERT, is defined as the limiting factor for telomerase activity. Between activators and repressors, and the role of DNA methylation and histone acetylation, an abundance of hTERT regulatory models have been suggested. The discovery of the implication of CTCF in the transcriptional regulation of hTERT in part explained the mechanism of silencing of telomerase in most somatic cells and its reactivation in neoplastic cells. In telomerase-positive cells, the inhibitory activity of CTCF is blocked by methylation-dependent and -independent mechanisms. In most carcinoma cells, hypermethylation of the hTERT 5' region has been shown to block the inhibitory effect of CTCF, while a short hypomethylated region allows a low transcription level of the gene. We have demonstrated that MBD2 protein specifically binds the methylated 5' region of hTERT in different cell lines and is therefore involved in the partial repression of hTERT transcription in methylated tumor cells. In contrast, we have shown that in normal and neoplastic B cells, hTERT regulation is methylation-independent. The PAX5 factor has been shown to bind to the hTERT 5'region downstream of the ATG translational start site. Ectopic expression of PAX5 in telomerase-negative cells or repression of PAX5 expression in B lymphoma cells respectively activated and repressed hTERT transcription. Thus, PAX5 is strongly implicated in hTERT expression activation in telomerase-positive B cells. These results reveal differences between the hTERT methylation patterns in telomerase-positive carcinoma cells and telomerase-positive normal B cells. The potential of hTERT methylation as a cancer biomarker was evaluated and applied to the detection of metastasis. We have shown that hTERT methylation correlates with the cytological diagnosis in cerebrospinal fluids. Our results suggest a model of hTERT gene regulation, which helps us to better understand how hTERT transcription is regulated by CTCF in methylation-dependant and independent mechanisms. Our data also indicate that hTERT methylation is a promising new cancer biomarker.

Bacterial flagellin elicits innate immune defenses and cardiac dysfunction in vivo

Résumé Les agents pathogènes responsables d'infection entraînent chez l'hôte deux types de réponses immunes, la première, non spécifique, dite immunité innée, la seconde, spécifique à l'agent concerné, dite immunité adaptative. L'immunité innée, qui représente la première ligne de défense contre les pathogènes, est liée à la reconnaissance par les cellules de l'hôte de structures moléculaires propres aux micro-organismes (« Pathogen-Associated Molecular Patterns », PAMPs), grâce à des récepteurs membranaires et cytoplasmiques (« Pattern Recognition Receptors », PRRs) identifiant de manière spécifique ces motifs moléculaires. Les récepteurs membranaires impliqués dans ce processus sont dénommés toll-like récepteurs, ou TLRS. Lorsqu'ils sont activés par leur ligand spécifique, ces récepteurs activent des voies de signalisation intracellulaires initiant la réponse inflammatoire non spécifique et visant à éradiquer l'agent pathogène. Les deux voies de signalisation impliquées dans ce processus sont la voie des « Mitogen-Activated Protein Kinases » (MAPKs) et celle du « Nuclear Factor kappaB » (NF-κB), dont l'activation entraîne in fine l'expression de protéines de l'inflammation dénommées cytokines, ainsi que certaines enzymes produisant divers autres médiateurs inflammatoires. Dans certaines situations, cette réponse immune peut être amplifiée de manière inadéquate, entraînant chez l'hôte une réaction inflammatoire systémique exagérée, appelée sepsis. Le sepsis peut se compliquer de dysfonctions d'organes multiples (sepsis sévère), et dans sa forme la plus grave, d'un collapsus cardiovasculaire, définissant le choc septique. La défaillance circulatoire du choc septique touche les vaisseaux sanguins d'une part, le coeur d'autre part, réalisant un tableau de «dysfonction cardiaque septique », dont on connaît mal les mécanismes pathogéniques. Les bactéries à Gram négatif peuvent déclencher de tels phénomènes, notamment en libérant de l'endotoxine, qui active les voies de l'immunité innée par son interaction avec un toll récepteur, le TLR4. Outre l'endotoxine, la plupart des bactéries à Gram négatif relâchent également dans leur environnement une protéine, la flagelline, qui est le constituant majeur du flagelle bactérien, organelle assurant la mobilité de ces micro-organismes. Des données récentes ont indiqué que la flagelline active, dans certaines cellules, les voies de l'immunité innée en se liant au récepteur TLRS. On ne connaît toutefois pas les conséquences de l'interaction flagelline-TLRS sur le développement de l'inflammation et des dysfonctions d'organes au cours du sepsis. Nous avons par conséquent élaboré le présent travail en formulant l'hypothèse que la flagelline pourrait déclencher une telle inflammation et représenter ainsi un médiateur potentiel de la dysfonction d'organes au cours du sepsis à Gram négatif, en nous intéressant plus particulièrement àl'inflammation et à la dysfonction cardiaque. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié les effets de la flagelline sur l'activation du NF-κB et des MAPKs, et sur l'expression de cytokines inflammatoires au niveau du myocarde in vitro (cardiomyocytes en culture) et in vivo (injection de flagelline recombinante à des souris). Nous avons observé tout d'abord que le récepteur TLRS est fortement exprimé au niveau du myocarde. Nous avons ensuite démontré que la flagelline active la voie du NF-κB et des MAP kinases (p38 et JNK), stimule la production de cytokines et de chemokines inflammatoires in vitro et in vivo, et entraîne l'activation de polynucléaires neutrophiles dans le tissu cardiaque in vivo. Finalement, au plan fonctionnel, nous avons pu montrer que la flagelline entraîne une dilatation et une réduction aiguë de la contractilité du ventricule gauche chez la souris, reproduisant les caractéristiques de la dysfonction cardiaque septique. Dans la deuxième partie, nous avons déterminé la distribution du récepteur TLRS dans les autres organes majeurs de la souris (poumon, foie, intestin et rein}, et avons caractérisé dans ces organes l'effet de la flagelline sur l'activation du NF-κB et des MAPKs, l'expression de cytokines, et l'induction de l'apoptose. Nous avons démontré que le TLRS est exprimé de façon constitutive dans ces organes, et que l'injection de flagelline y déclenche les cascades de l'immunité innée et de processus apoptotiques. Finalement, nous avons également déterminé que la flagelline entraîne une augmentation significative de multiples cytokines dans le plasma une à six heures après son injection. En résumé, nos données démontrent que la flagelline bactérienne (a) entraîne une inflammation et une dysfonction importantes du myocarde et (b) active de manière très significative les mécanismes d'immunité innée dans les principaux organes et entraîne une réponse inflammatoire systémique. Par conséquent, la flagelline peut représenter un médiateur puissant de l'inflammation et de la dysfonction d'organes, notamment du coeur, au cours du choc septique déclenché par les bactéries à Gram négatif. Summary Pathogenic microorganisms trigger two kinds of immune responses in the host. The first one is immediate and non-specific and is termed innate immunity, whereas the second one, specifically targeted at the invading agent, is termed adaptative immunity. Innate immunity, which represents the first line of defense against invading pathogens, confers the host the ability to recognize molecular structures common to many microbial pathogens, ("Pathogen-Associated Molecular Patterns", PAMPs), through cytosolic or membrane-associated receptors ("Pattern Recognition Receptors", PRRs), the latter being represented by a family of receptors termed "toll-like receptors or TLRs". Once activated by the binding of their specific ligand, these receptors activate intracellular signaling pathways, which initiate the non-specific inflammatory response aimed at eradicating the pathogens. The two pathways implicated in this process are the mitogen-activated protein kinases (MAPK) and the nuclear factor kappa B (NF-κB) signaling pathways, whose activation elicit in fine the expression of inflammatory proteins termed cytokines, as well as various enzymes producing a wealth of additional inflammatory mediators. In some circumstances, the innate immune response can become amplified and dysregulated, triggering an overwhelming systemic inflammatory response in the host, identified as sepsis. Sepsis can be associated with multiple organ dysfunction (severe sepsis), and in its most severe form, with cardiovascular collapse, defming septic shock. The cardiovascular failure associated with septic shock affects blood vessels as well as the heart, resulting in a particular form of acute heart failure termed "septic cardiac dysfunction ", whose pathogenic mechanisms remain partly undefined. Gram-negative bacteria can initiate such phenomena, notably by releasing lipopolysaccharide (LPS), which activates innate immune signaling by interacting with its specific toll receptor, the TLR4. Besides LPS, most Gram-negative bacteria also release flagellin into their environment, which is the main structural protein of the bacterial flagellum, an appendage extending from the outer bacterial membrane, responsible for the motility of the microorganism. Recent data indicated that flagellin activate immune responses upon binding to its receptor, TLRS, in various cell types. However, the role of flagellin/TLRS interaction in the development of inflammation and organ dysfunction during sepsis is not known. Therefore, we designed the present work to address the hypothesis that flagellin might trigger such inflammatory responses and thus represent a potential mediator of organ dysfunction during Gram-negative sepsis, with a particular emphasis on cardiac inflammation and contractile dysfunction. In the first part of this work, we investigated the effects of flagellin on NF-κB and MAPK activation and the generation of pro-inflammatory mediators within the heart in vitro (cultured cardiomyocytes) and in vivo (injection of recombinant flagellin into mice). We first observed that TLRS protein is strongly expressed by the myocardium. We then demonstrated that flagellin activates NF-κB and MAP kinases (p38 and JNK), upregulates the transcription of pro-inflammatory cytokines and chemokines in vitro and in vivo, and stimulates the activation of polymorphonuclear neutrophils within the heart in vivo. Finally, we demonstrated that flagellin triggers acute cardiac dilation, and a significant reduction of left ventricular contractility, mimicking characteristics of clinical septic cardiac dysfunction. In the second part, we determined the TLRS distribution in other mice major organs (lung, liver, gut and kidney) and we characterized in these organs the effects of flagellin on NF-κB and MAPK activation, on the expression of pro-inflammatory çytokines, and on the induction of apoptosis. We demonstrated that TLRS protein is constitutively expressed and that flagellin activates prototypical innate immune responses and pro-apoptotic pathways in all these organs. Finally, we also observed that flagellin induces a significant increase of multiple cytokines in the plasma from 1 to 6 hours after its intravenous administration. Altogether, these data provide evidence that bacterial flagellin (a) triggers an important inflammatory response and an acute dysfunction of the myocardium, and (b) significantly activates the mechanisms of innate immunity in most major organs and elicits a systemic inflammatory response. In consequence, flagellin may represent a potent mediator of inflammation and multiple organ failure, notably cardiac dysfunction, during Gram-negative septic shock.

The role of CTCFL/BORIS in Meiosis

The complexity of mammalian genome organization demands a complex interplay of DNA and proteins to orchestrate proper gene regulation. CTCF, a highly conserved, ubiquitously expressed protein has been postulated as a primary organizer of genome architecture because of its roles in transcriptional activation/repression, insulation and imprinting. Diverse regulatory functions are exerted through genome wide binding via a central eleven zinc finger DNA binding domain and an array of diverse protein-protein interactions through N- and C- terminal domains. CTCFL has been identified as a paralog of CTCF expressed only in spermatogenic cells of the testis. CTCF and CTCFL have a highly homologous DNA-binding domain, while the flanking amino acid sequences exhibit no significant similarity. Genome- wide mapping of CTCF binding sites has been carried out in many cell types, but no data exist for CTCFL apart from a few identified loci. The lack of high quality antibodies prompted us to generate an endogenously flag-tagged CTCFL mouse model using BAC recombination. IHC staining using anti-flag antibodies confirmed CTCFL localization to type Β spermatogonia and preleptotene spermatocytes and a mutually exclusive pattern of expression with CTCF. ChIP followed by high-throughput sequencing identified 10,382 binding sites showing 70% overlap but representing only 20% of CTCF sites. Consensus sequence analysis identified a significantly longer binding motif with prominently less ambiguity of base calling at every position. The significant difference between CTCF and CTCFL genomic binding patterns proposes that their binding to DNA is differentially regulated. Analysis of CTCFL binding to methylated regions on a genome wide scale identified approximately 1,000 loci. Methylation-independent binding of CTCFL might be at least one of the mechanisms that ensures distinct binding patterns of CTCF and CTCFL since CTCF binding is methylation- sensitive. Co-localization of CTCF with cohesin has been well established and analysis of CTCFL and SMC3 overlap identified around 3,300 binding sites from which two related but distinct consensus sequence motifs were derived. Because virtually all data for cohesin binding originate from mitotically proliferating cells, the anticipated overlap is expected to be considerably higher in meiotic cells. Meiosis-specific cohesin subunit Rec8 is specific for spermatocytes and 6 out of the 12 identified binding sites are also bound by CTCFL. In conclusion, this was the first genome-wide mapping of CTCFL binding sites in spermatocytes, the only cell type where CTCF is not expressed. CTCFL has a unique binding site repertoire distinct from CTCF, binds to methylated sequences and shows a significant overlap with cohesin binding sites. Future efforts will be oriented towards deciphering the role CTCFL plays in conversion of chromatin structure and function from mitotic to meiotic chromosomes. - La complexité de l'organisation du génome des mammifères exige une interaction particulière entre ADN et protéines pour orchestrer une régulation appropriée de l'expression des gènes. CTCFL, une protéine ubiquitaire très conservée, serait le principal organisateur de l'architecture du génome de par son rôle dans l'activation / la répression de la transcription, la protection et la localisation des gènes. Diverses régulations sont opérées, d'une part au travers d'interactions à différents endroits du génome par le biais d'un domaine protéique central de liaison à l'ADN à onze doigts de zinc, et d'autre part par des interactions protéine-protéine variées au niveau de leur domaine N- et C-terminal. CTCFL a été identifié comme un paralogue de CTCF exprimé uniquement dans les cellules spermatiques du testicule. CTCFL et CTCF ont un domaine de liaison à l'ADN très homologue, tandis que les séquences d'acides aminés situées de part et d'autre de ce domaine ne présentent aucune similitude. Une cartographie générale des sites de liaison au CTCF a été réalisée pour de nombreux types cellulaires, mais il n'existe aucune donnée pour CTCFL à l'exception de l'identification de quelques loci. L'absence d'anticorps de bonne qualité nous a conduit à générer un modèle murin portant un CTCFL endogène taggué grâce à un procédé de recombinaison BAC. Une coloration IHC à l'aide d'anticorps anti-FLAG a confirmé la présence de CTCFL au niveau des spermatogonies de type Β et des spermatocytes au stade préleptotène, et une distribution mutuellement exclusive avec CTCF. Une méthode de Chromatine Immunoprecipitation (ChIP) suivie d'un séquençage à haut débit a permis d'identifier 10.382 sites de liaison montrant 70% d'homologie mais ne représentant que 20% des sites CTCF. L'analyse de la séquence consensus révèle un motif de fixation à l'ADN nettement plus long et qui comporte bien moins de bases aléatoires à chaque position nucléotidique. La différence significative entre les séquences génomiques des sites de liaison au CTCF et CTCFL suggère que leur fixation à l'ADN est régulée différemment. Appliquée à l'échelle du génome, l'étude de l'interaction de CTCFL avec des régions méthylées de l'ADN a permis d'identifier environ 1.000 loci. Contrairement à CTCFL, la liaison de CTCF dépend de l'état de méthylation de l'ADN ; cette modification épigénétique constitue donc au moins un des mécanismes de régulation expliquant une localisation de CTCF et CTCFL à des sites distincts du génome. La co- localisation de CTCF avec la cohésine étant établie, l'analyse de la superposition des séquences de CTCFL avec la sous-unité SMC3 identifie environ 3.300 sites de liaison parmi lesquels deux mêmes motifs consensus distincts par leur séquence sont mis en évidence. La presque quasi-totalité des données sur la cohésine ayant été établie à partir de cellules en prolifération mitotique, il est probable que la similitude au sein des séquences consensus soit encore plus grande dans le cas des cellules en méiose. La sous-unité Rec8 de la cohésine propre à l'état de méiose est spécifiquement exprimée dans les spermatocytes. Or 6 des 12 sites de liaison identifiés sont également utilisés par CTCFL. Pour conclure, ce travail constitue la première cartographie à l'échelle du génome des sites de liaison de CTCFL dans les spermatocytes, seul type cellulaire où CTCFL n'est pas exprimé. CTCFL possède un répertoire unique de sites de fixation à l'ADN distinct de CTCF, se lie à des séquences méthylées et présente un nombre important de sites de liaison communs avec la cohésine. Les perspectives futures sont d'élucider le rôle de CTCFL dans le remodelage de la structure de la chromatine et de définir sa fonction dans le processus de méiose.

Analysis of the regulation of Nodal function by SPC-mediated cleavage during early mammalian development

RÉSUMÉ Après implantation dans l'utérus, le foetus de mammifère est composé de trois populations différentes de cellules: l'epiblast, l'ectoderme extraembryonnaire et l'endoderme viscéral. Pendant la gastrulation, les cellules de l'epiblast donnent naissance aux trois lignées germinales: l'ectoderme, le mésoderme et l'endodermes. Les lignées germinales produisent par la suite les différents tissus et organes du corps embryonnaire et adulte. Les cellules de l'ectoderme extraembryonnaire donnent par la suite le composant foetal du placenta qui est essentiel à la survie de l'embryon dans l'utérus. L'épiblast et l'ectoderme extraembryonnaire sont entourés par l'endoderme viscéral et forment une structure connue sous le nom de bouton embryonnaire. L'endoderme viscéral joue un rôle important dans l'embryogenèse car il comporte une sous-population de cellules appelées l'endoderme viscéral antérieur dont les signaux influencent l'épiblast adjacent et déterminent le futur axe antéro-postérieur de l'embryon. La protéine de signalisation Nodal de la famille des TGFß est essentielle dans l'épiblast pour spécifier le mésendoderme, l'endoderme viscéral antérieur, ainsi que pour maintenir les cellules souche de l'ectoderme extraembryonnaire. Ainsi, dans les embryons mutants pour Nodal, aucun axe antéro-postérieur n'est établi, les lignées germinales ne sont pas spécifiés et le placenta ne se développe pas. Au niveau moléculaire, comme pour les protéines de la famille des TGFß, Nodal est initialement synthétisée sous forme de précurseur avant d'être clivée de façon endoproteolytique par des protéanes sécrétées, les proprotéines convertases du type subtilisin (SPC), qui suppriment la partie inhibitrice N-terminale du pro peptide. Dans ce contexte, le projet de ma thèse a été d'analyser l'influence des SPC sur la fonction de Nodal en employant une combinaison d'approches génétiques et biochimiques. Premièrement, nous avons constaté que le clivage du précurseur par les protéases active Nodal, mais en même temps augmente son turn-over et diminue la portée de son action. Deuxièmement, dans l'embryon, il apparaît que Nodal est activé par l'action combinée de Furin et de PACE4, deux protéases sécrétées qui sont spécifiquement exprimées dans les cellules de l'ectoderme extraembryonnaire, donc adjacentes au domaine d'expression de Nodal. De manière similaire aux mutants de Nodal, les embryons mutants pour les deux protéases ne forment pas d'endoderme viscéral antérieur et ne gastrulent pas. Cependant, certains gènes cible de Nodal restent exprimés, suggérant que toutes les activités de Nodal ne sont pas dépendent du clivage par les SPCs. En effet, la génération et l'analyse de mutants portant un allèle knock-in qui code pour une forme mutante de Nodal résistante aux SPC, ont montré que ces mutants ont les caractères phénotypique des mutants de Nodal seulement de façon partielle. La formation de mésoderme est partiellement induite, et de façon remarquable, la forme de Nodal résistante aux SPC est capable d'agir à une distance de sa source, maintenant l'expression de ses propres protéases et d'autres gènes essentiels pour la spécification de l'ectoderme extraembryonnaire. Ensemble, ces résultats prouvent que par leur action directe les protéases extraembryonnaire modulent la signalisation de Nodal pendant le développement mammifère précoce. SUMMARY : Early after implantation in the uterus, the mammalian conceptus is composed of three different cell populations: the epiblast, the extraembryonic ectoderm and the visceral endoderm. During gastrulation, epiblast cells give rise to the three embryonic germ layers: the ectoderm, the mesoderm and the endoderm. These germ layers then generate the different tissues and organs of the embryonic and adult bodies. In parallel, extraembryonic ectoderm cells give rise to the fetal component of the placenta, which is essential for the survival of the embryo in the uterus. Both the epiblast and extraembryonic ectoderm are surrounded by the visceral endoderm to form a structure known as the egg cylinder. The visceral endoderm plays an important role as it harbours a subpopulation of cells called the anterior visceral endoderm, from which signals influence the adjacent epiblast and determine the future antero-posterior embryonic axis. The TGFß-related signalling protein Nodal is required within the epiblast to specify the mesoderm, the endoderm,the anterior visceral endoderm and is also essential to maintain stem cells in the extraembryonic ectoderm. Thus, in Nodal null conceptuses, no antero-posterior axis is established, the germ layers are not specified and the placenta does not develop. At the molecular level, Nodal, like related proteins of the TGFß family, is initially synthesized as a precursor and undergoes endoproteolytic cleavage by secreted proteases of the subtilisin-like proprotein convertases (SPC) to remove an inhibitory N-terminal pro peptide. In the embryo, Nodal is activated by the combined action of Furin and PACE4, two secreted SPCs that are specifically expressed in cells of the extraembryonic ectoderm, thus adjacent to the Nodal expression domain. Similar to Nodal null .embryos, mutant embryos lacking both these proteases fail to specify the anterior visceral endoderm and to undergo gastrulation. However, these mutants still express a subset of Nodal target genes, suggesting that part of Nodal activity is independent on cleavage by SPCs. Indeed, by generating and analyzing mutants with a knock-in allele that encodes an SPC-resistant mutant form of Nodal, I could show that they retain a subset of Nodal activities. Mesoderm formation is partially induced, but most remarkably, SPC-resistant Nodal form is able to act at a distance from its source, maintaining the expression of its proteases and of other genes essential for maintenance of the extraembryonic ectoderm.

Regulation of HCF-1 function via proteolytic maturation and HCF-1 subunit interaction

Abstract : Host-Cell Factor 1 (HCF-1) was first discovered in the study of the herpes simplex virus (HSV) infection. HCF-1 is one of the two cellular proteins that compose the VP16-induced complex, a key activator of HSV lytic infection. lncleed, when HSV infects human cells, it is able to enter two modes of infection: lytic or latent. The V`P16-induced complex promotes the lytic mode and in so doing the virus targets important cellular regulatory proteins, such as HCF-1, to manipulate the status of the infected cell. Indeed, HCF-1 regulates human cell proliferation and the cell cycle at different steps. In human, HCF-1 is unusual in that it undergoes a process of proteolytic maturation that results from cleavages at six centrally located 26 amino acid repeats called HCF-1pro repeats. This generates a heterodimeric complex of stably associated amino- (HCF-1n) and carboxy- (HCF-1c) terminal subunits. The absence of the HCF-1 N or HCF-1; subunit leads predominantly to either G1 or M phase defects, respectively. We have hypothesized that HCF-1 forms a heterodimeric complex to permit communication between the two subunits of HCF-1 involved in regulating different phases of the cell cycle. Indeed, there is evidence for such inter-subunit communication because a point mutation called P134S in the HCF-1N subunit in the temperature-sensitive hamster cell line tsBN67 causes, addition to G1- phase defects associated with the HCF-1n subunit, M-phase defects similar to the defects seen upon loss of HCF-1 function. Furthermore, inhibition of the proteolytic maturation of HCF-1 by deletion of the six HCF-1pro repeats (HCF-1Aimo) also leads to M-phase defects, specifically cytokinesis defects leading to binucleation, indicating that there is loss of HCF-15 function in the absence of HCF-1 maturation. I demonstrate that individual point mutations in each of the six HCF-1pro repeats that prevent HCF-1 proteolytic maturation also lead to binucleation; however, this defect can be latgely rescued by the presence of just one HCF-1pRO sequence in I-ICF»1. These results argue that processing itself is important for the HCF-1g function. In fact, until now, the hypothesis was that the proteolytic processing per se is more important for HCF-1C function than the proteolytic processing region. But I show that processing per se is not sufticient to rescue multinucleation, but that the HCF-lpm sequence itself is crucial. This discovery leads to the conclusion that the I-ICF-1pRO repeats have an additional function important for HCF-le function. From the studies of others, one potential function of the HCF-lrxo tepeats is as a binding site for O-link NAcetyl glycosamine tansferase (OGT) to glycosylate an HCF-1n-sunbunit region called the Basic region. This new function suggests the Basic region of HCF-1n is also implicated in the communication between the two subunits. This inter-subunit communication was analyzed in more detail with the studies of the Pl34S mutation and the residues 382-450 region of HCF-l that when removed prevents HCF-l subunit association. I demonstrate that the point mutation also leads to a binucleation defect in Hela cells as well as in the tsBN67 cells. In addition, the effect of this mutation on the regulation of HCF-1c activity seems to interfere with that of the HCF-lpgg repeats because the sum of the deletion of the proteolytic processing region and the point mutation surprisingly leads to re-establishment of correct cytokinesis. The study of the 382-450 HCF-lN region also yielded surprising results. This region important for the association of the two subunits is also important for both HCF-1c function in M phase and G1 phase progression. Thus, I have discovered two main functions of this region: its role in the regulation of HCF-lc function in M phase and its involvement in the regulation of G1/S phase ?- an HCF-1n function. These results support the importance of inter-subunit communication in HCF-1 functions. My research illuminates the understanding of the interaction of the two subunits by showing that the whole HCF-1n subunit is involved in the inter-subunit communication in order to regulate HCF-1c function. For this work, I was concentrated on the study of cytokinesis; the first phenotype showing the role of HCF-1c in the M phase. Then, I extended the study of the M phase with analysis of steps earlier to cytokinesis. Because some defects in the chromosome segregation was already described in the absence of HCF-1, I decided to continue the study of M phase by checking effects on the chromosome segregation. I showed that the HCF-1n subunit and HCF-1pro repeats are both important for this key step of M phase. I show that the binucleation phenotype resulting from deletion or mutation in HCF-1pro repeats, Pl34S point mutation or the lack of the region 382-450 are correlated with micronuclei, and chromosome segregation and alignment defects. This suggests that HCF«lç already regulates M phase during an early step and could be involved in the complex regulation of chromosome segregation. Because one of the major roles of HCF-1 is to be a transcription regulator, I also checked the capacity of HCF-1 to bind to the chromatin in my different cell lines. All my recombinant proteins can bind the chromatin, except for, as previously described, the HCF-1 with the P134S point mutation, This suggests that the binding of HCF-1 to the chromatin is not dependant to the Basic and proteolytic regions but more to the Kelch domain. Thus, if the function of HCF-ig in M phase is dependant to its chromatin association, the intercommunication and the proteolytic region are not involved in the ability to bind to the chromatin but more to bind to the right place of the chromatin or to be associated with the co-factors. Résumé : L'étude de l'infection par le virus Herpes Simplex (HSV) a permis la découverte de la protéine HCF-1 (Host-Cell Factor). HCF-1 est une des protéines cellulaires qui font partie du complexe induit par VP16 ; ce complexe est la clef pour l'activation de la phase lytique de HSV. Afin de manipuler les cellules infectées, le complexe induit pas le VPIG devrait donc cibler les protéines importantes pour la régulation cellulaire, telles que la protéine HCF-1. Cette dernière s'avère donc être un senseur pour la cellule et devrait également jouer un rôle de régulation lors des différentes phases du cycle cellulaire. Chez l'humain, HCF-1 a la particularité de devoir passer par une phase de maturation pour devenir active. Lors de cette maturation, la protéine subit une coupure protéolytique au niveau de six répétitions composées de 26 acides aminés, appelé HCF-1pro repeats. Cette coupure engendre la formation d'un complexe formé de deux sous-unités, HCF-1n et HCF-1c, associées l'une à l'autre de façon stable. Enlever la sous-unité HCF-IN ou C entraîne respectivement des défauts dans la phase G1 et M. Nous pensons donc que HCF-1 forme un complexe hétérodimérique afin de permettre la communication entre les molécules impliquées dans la régulation des différentes phases du cycle cellulaire. Cette hypothèse est déduite suite à deux études: l'une réalisée sur la lignée cellulaire tsBN67 et l'autre portant sur l'inhibition de la maturation protéolytique. La lignée cellulaire tsBN67, sensible à la température, porte la mutation Pl 345 dans la sous-unité HCF-1n. Cette mutation, en plus d'occasionner des défauts dans la phase G1 (défauts liés à la sous-unité HCF-1N), a aussi pour conséquence d'entrainer des défauts dans la phase M, défauts similaires à ceux dus a la perte de la sous-unité HCF-1c. Quant à la maturation protéolytique, l'absence de la région de la protéolyse provoque la binucléation, défaut lié à la cytokinèse, indiquant la perte de la fonction de la sous-unité HCF-1c. Au cours de ma thèse, j'ai démontré que des mutations dans les HCF-1=no repeats, qui bloquent la protéolyse, engendrent la binucléation ; cependant ce défaut peut être corrigé pas l'ajout d'un HCF-1pro repeat dans un HCF-1 ne contenant pas la région protéolytique. Ces résultats soutiennent l'idée que la région protéolytique est importante pour le bon fonctionnement de HCF-1c. En réalité jusqu'a maintenant on supposait que le mécanisme de coupure était plus important que la région impliquée pour la régulation de la fonction de HCF-1;. Mais mon étude montre que la protéolyse n'est pas suffisante pour éviter la binucléation ; en effet, les HCF-1pro repeats semblent jouer le rôle essentiel dans le cycle cellulaire. Cette découverte conduit à la conclusion que les HCF-1pro repeats ont sûrement une fonction autre qui serait cruciale pour la foncton de HCF-1c. Une des fonctions possibles est d'être le site de liaison de l'O-linked N-acetylglucosamine transférase (OGT) qui glycosylerait la région Basique de HCF-1n. Cette nouvelle fonction suggère que la région Basique est aussi impliquée dans la communication entre les deux sous- unités. L'intercommunication entre les deux sous-unités ai été d'ailleurs analysée plus en détail dans mon travail à travers l'étude de la mutation Pl34S et de la région 382-450, essentielle pour l'association des deux sous»unités. J'ai ainsi démontré que la mutation P134S entraînait aussi des défauts dans la cytokinése dans la lignée cellulaire Hela, de plus, son influence sur HCF-1c semble interférer avec celle de la région protéolytique. En effet, la superposition de ces deux modifications dans HCF-1 conduit au rétablissement d'une cytokinése correcte. Concernant la région 382 à 450, les résultats ont été assez surprenants, la perte de cette région provoque l'arrêt du cycle en G1 et la binucléation, ce qui tend à prouver son importance pour le bon fonctionnement de HCF-1n et de HCF-1c. Cette découverte appuie par conséquent l'hypotl1èse d'une intercommunicatzion entre les deux sous-unités mettant en jeu les différentes régions de HCF-1n. Grâce à mes recherches, j'ai pu améliorer la compréhension de l'interaction des deux sous-unités de HCF-1 en montrant que toutes les régions de HCF-1n sont engagées dans un processus d'intercommunication, dont le but est de réguler l'action de HCF-1c. J'ai également mis en évidence une nouvelle étape de la maturation de HCF-1 qui représente une phase importante pour l'activation de la fonction de HCF-1c. Afin de mettre à jour cette découverte, je me suis concentrée sur l'étude de l'impact de ces régions au niveau de la cytokinése qui fut le premier phénotype démontrant le rôle de HCF-1c dans la phase M. A ce jour, nous savons que HCF-1c joue un rôle dans la cytokinèse, nous ne connaissons pas encore sa fonction précise. Dans le but de cerner plus précisément cette fonction, j'ai investigué des étapes ultérieures ai la cytokinèse. Des défauts dans la ségrégation des chromosomes avaient déjà été observés, ai donc continué l'étude en prouvant que HCF-1n et les HCF-1pro repeats sont aussi importants pour le bon fonctionnement de cette étape clef également régulée par HCF-1c. J' ai aussi montré que la région 382-450 et la mutation P134S sont associées à un taux élevé de micronoyaux, de défauts dans la ségrégation des chromosomes. L'une des fonctions principales de HCF-1 étant la régulation de la transcription, j'ai aussi contrôlé la capacité de HCF-1 à se lier à la chromatine après insertion de mutations ou délétions dans HCF-1n et dans la région protéolytique. Or, à l'exception des HCF-1 contenant la mutation P134S, la sous-unité HCF-1c des HCF-1 tronquées se lie correctement à la chromatine. Cette constatation suggère que la liaison entre HCF-1c et chromatine n'est pas dépendante de la région Basique ou Protéolytique mais peut-être vraisemblablement de la région Kelch. Donc si le rôle de HCF-1c est dépendant de sa capacité â activer la transcription, l'intercommunication entre les deux sous-unités et la région protéolytique joueraient un rôle important non pas dans son habileté à se lier à la chromatine, mais dans la capacité de HCF-1 à s'associer aux co-facteurs ou à se placer sur les bonnes régions du génome.