Insights into the molecular machinery of piecemeal microautophagy of the nucleus in "Saccharomyces cerevisiae"

Résumé : La microautophagie du noyau est un processus découvert chez la levure S. cerevisiae qui vise la dégradation de portions nucléaires dans la lumière vacuolaire. Ce processus appelé PMN (de l'anglais Piecemeal Microautophagy of the Nucleus) est induit dans des conditions de stress cellulaire comme la privation de nutriments, mais également par l'utilisation d'une drogue : la rapamycine. La PMN est due à l'interaction directe d'une protéine de la membrane externe de l'enveloppe nucléaire Nvj1p, et d'une protéine de la membrane vacuolaire Vac8p. L'interaction de ces deux protéines forme la jonction noyau-vacuole. Cette jonction guide la formation d'une invagination, qui englobe et étire vers la lumière vacuolaire une partie du noyau sous la forme d'un sac. Il s'en suit la libération d'une vésicule dégradée par les hydrolases. Les mécanismes moléculaires intervenant à différentes étapes de ce processus sont inconnus. Le but de ma thèse est de mettre en évidence de nouveaux acteurs qui interviennent dans la PMN. Dans la première partie de cette étude, nous présentons une procédure de sélection à la recherche de candidats jouant un rôle dans la PMN. Cette sélection a été effectuée dans la collection de mutants commercialisée chez Euroscarf. La procédure reposait sur l'observation que le nucléole (représenté par Nop1p) est le substrat préférentiel de la PMN dans des expériences de microscopie faites après induction de la PMN avec la rapamycine. Nous avons ainsi transformé la collection de mutants avec un plasmide portant le marqueur du nucléole Noplp. Par la suite, nous avons cherché par microscopie les mutants incapables de transférer Nop1p du noyau à la vacuole. Nous avons trouvé 318 gènes présentant un défaut de transfert de Nop1p par PMN. Ces gènes ont été classés par grandes familles fonctionnelles et aussi par leur degré de défaut de PMN. Egalement dans cette partie de l'étude, nous avons décrit des mutants impliqués dans le processus, à des étapes différentes. Dans la seconde partie de l'étude, nous avons regardé l'implication et le rôle de la V-ATPase, (une pompe à protons de la membrane vacuolaire}, sélectionnée parmi les candidats, dans le processus de PMN. Les inhibiteurs de ce complexe, comme la concanamycineA, bloquent l'activité PMN et semblent affecter le processus à deux étapes différentes. D'un autre côté, les jonctions «noyau-vacuole »forment une barrière de diffusion au niveau de la membrane vacuolaire, de laquelle Vphlp, une protéine de la V-ATPase, est exclue.

Genomic copy number aberrations in glioblastoma, response to therapy and molecular machanisms

Résumé : Le glioblastome (GBM, WHO grade IV) est la tumeur cérébrale primaire la plus fréquente et la plus maligne, son pronostic reste très réservé et sa réponse aux différents traitements limitée. Récemment, une étude clinique randomisée (EORTC 26981/NCIC CE.3) a démontré que le traitement combiné de temozolomide et radiothérapie (RT/TMZ) est le meilleur dans les cas de GBM nouvellement diagnostiqués [1]. Cependant, seul un sous-groupe de patients bénéficie du traitement RT/TMZ et même parmi eux, leur survie reste très limitée. Pour tenter de mieux comprendre les réponses au traitement RT/TMZ, la biologie du GBM, identifier d'autres facteurs de résistance et découvrir de nouvelles cibles aux traitements, nous avons conduit une analyse moléculaire étendue à 73 patients inclus dans cette étude clinique. Nous avons complété les résultats moléculaires déjà obtenus par un profil génomique du nombre de copies par Array Comparative Genomic Hybridization. Afin d'atteindre nos objectifs, nous avons analysé en parallèle les données cliniques des patients et leurs profils moléculaires. Nos résultats confirment des analyses connues dans le domaine des aberrations du nombre de copies (CNA) et de profils du glioblastome. Nous avons observé une bonne corrélation entre le CNA génomique et l'expression de l'ARN messager dans le glioblastome et identifié un nouveau modèle de CNA du chromosome 7 pouvant présenter un intérêt clinique. Nous avons aussi observé par l'analyse du CNA que moins de 10% des glioblastomes conservent leurs mécanismes de suppression de tumeurs p53 et Rb1. Nous avons aussi observé que l'amplification du CDK4 peut constituer un facteur supplémentaire de résistance au traitement RT/TMZ, cette observation nécessite confirmation sur un plus grand nombre d'analyses. Nous avons montré que dans notre analyse des profils moléculaires et cliniques, il n'est pas possible de différencier le GBM à composante oligodendrogliale (GBM-O) du glioblastome. En superposant les profils moléculaires et les modèles expérimentaux in vitro, nous avons identifié WIF-1 comme un gène suppresseur de tumeur probable et une activation du signal WNT dans la pathologie du glioblastome. Ces observations pourraient servir à une meilleure compréhension de cette maladie dans le futur. Abstract : Glioblastoma, (GBM, WHO grade IV) is the most malignant and most frequent primary brain tumor with a very poor prognosis and response to therapy. A recent randomized clinical trial (EORTC26981/NCIC CE.3) established RT/TMZ as the 1St effective chemo-radiation therapy in newly diagnosed GBM [1]. However only a genetic subgroup of patients benefit from RT/TMZ and even in this subgroup overall survival remains very dismal. To explain the observed response to RT/TMZ, have a better understanding of GBM biology, identify other resistance factors and discover new drugable targets a comprehensive molecular analysis was performed in 73 of these GBM trial cohort. We complemented the available molecular data with a genomic copy number profiling by Array Comparative Genomic Hybridization. We proceeded to align the molecular profiles and the Clinical data, to meet our project objectives. Our data confirm known GBM Copy Number Aberrations and profiles. We observed a good correlation of genomic CN and mRNA expression in GBM, and identified new interesting CNA pattern for chromosome 7 with a potential clinical value. We also observed that by copy number aberration data alone, less than 10% of GBM have an intact p53 and Rb1 tumor .suppressor pathways. We equally observed that CDK4 amplification might constitute an additional RT/TMZ resistant factor, an observation that will need confirmation in a larger data set. We show that the molecular and clinical profiles in our data set, does not support the identification of GBM-O as a new entity in GBM. By combining the molecular profiles and in vitro model experiments we identify WIF1 as a potential GBM TSG and an activated WNT signaling as a pathologic event in GBM worth incorporation in attempts to better understand and impact outcome in this disease.

Molecular mechanisms of penicillin-induced killing and penicillin tolerance in Streptococcus gordonii

Abstract The main thesis topic relates to the 'molecular mechanisms of penicillin-induced bacterial death. Indeed, bacteria have developed two principal mechanisms to escape the killing effect of ß-lactam antibiotics: resistance and tolerance. Resistant bacteria are characterized by their ability to grow in the presence of drug concentrations higher than the one inhibiting the growth of susceptible members of the same species. Hence, resistant bacteria have an increased minimal inhibitory concentration (MIC) of the drug. Nevertheless, when exposed to antibiotic concentrations exceeding their new MIC, resistant bacteria remain sensitive to the antibiotic killing effect. In contrast, tolerant bacteria have an unchanged MIC. However, they have a considerably increased ability to survive drug-induced killing, even at concentrations exceeding their MIC by several orders of magnitude. In other words, in the presence of the antibiotic, tolerant bacteria become persister cells which stop growing but are not killed. In the present thesis, it is shown that the survival phenotype of a tolerant Streptococcus gordonii strain depends on two components belonging to sugar metabolism pathways. First, the transcription factor CcpA which mediates a global regulatory mechanism allowing bacteria to utilize the most efficient sugar source for their growth. We show that the inactivation of the ccpA gene leads to a partial loss of penicillin tolerance both in vitro and in a rat model of experimental endocarditis. Second, the Enzyme I of the phosphotransferase system which is involved in the uptake and phosphorylation of sugars. Here, we -show that a single nucleotide mutation in ptsI, the gene encoding the Enzyme I, is sufficient to confer a fully tolerant phenotype in S. gordonii both in vivo and in vivo. The mutation results in a radical proline to arginine substitution in the C-terminal domain of the protein, probably leading to a decrease in its homodimerization and subsequent activity. Taken together our results prove that tolerance is a global survival mechanism linked to sugar metabolism. We hypothesize that, in the presence of the antibiotic, the already altered metabolic processes of the tolerant strain are completely inactivated. Hence, bacteria may enter in a dormant state and become insensitive to the bactericidal effect of ß-lactams, which depends on actively dividing cells. This thesis manuscript also contains two other side-projects. The first one establishes that the ability to form a biofilm is not a requisite for the successful establishment of endocarditis due to S. gordonii. The second one characterizes the S. gordonii a-phosphoglucomutase gene, and shows that its inactivation results in a loss of in vitro fitness and in vivo virulence. Résumé Le sujet principal de cette thèse concerne les mécanismes moléculaires de la mort bactérienne induite par la pénicilline. En effet, les bactéries ont développé deux mécanismes principaux pour échapper à l'effet bactéricide des ß-lactamines : la résistance et la tolérance. Les bactéries résistantes sont caractérisées par leur capacité de croître en présence de concentration d'antibiotiques plus élevées que celles inhibant la croissance des organismes sensibles de la même espèce. Les bactéries résistantes ont donc une augmentation de leur concentration minimale inhibitrice (CMI) à l'antibiotique. Néanmoins, quand elles sont exposées à des concentrations dépassant leur nouvelle CMI, elles restent sensibles à l'effet bactéricide. Au contraire, les bactéries tolérantes ont une CMI inchangée. Toutefois, elles ont une très importante capacité à survivre à l'effet bactéricide des ß-lactamines, ceci même à des concentrations excédant leur CMI de plusieurs ordres de grandeur. En d'autres termes, en présence de l'antibiotique, les bactéries tolérantes deviennent des cellules persistantes qui arrêtent leur croissance mais ne sont pas tuées. Dans la présente thèse, il est montré que le phénotype de survie d'un Streptococcus gordonii tolérant dépend de deux composants appartenant aux voies du métabolisme des sucres. Premièrement, le facteur de transcription CcpA qui contrôle un système global de régulation permettant à la bactérie d'utiliser les sources de sucre les plus efficaces pour sa croissance. Il est montré que l'inactivation du gène ccpA résulte en la perte partielle de la tolérance à la pénicilline aussi bien in vitro que dans un modèle d'endocardite expérimentale chez le rat. Deuxièmement, l'Enzyme I du système de phosphotransfert impliqué dans l'import et la phosphorylation des sucres. Nous montrons qu'une mutation ponctuelle d'un nucléotide dans ptsl, le gène codant pour l'Enzyme I, suffit à complètement conférer un phénotype tolérant chez S. gordonii aussi bien in vitro qu'in vivo. La mutation induit la substitution radicale d'une proline en une arginine dans le domaine C-terminal de la protéine, résultant probablement en une diminution de sa capacité d'homodimérisation et donc d'activité. Dans leur ensemble, nos résultats prouvent que la tolérance est un mécanisme global de survie lié au métabolisme des sucres. Nous présentons l'hypothèse que, en présence de l'antibiotique, les processus métaboliques déjà altérés de la souche tolérante deviennent complètement inactifs. En conséquence, les bactéries entreraient dans un état dormant nonréplicatif, devenant ainsi insensibles à l'effet bactéricide des ß-lactamines qui nécessite des cellules en cours de division active. Le manuscrit de cette thèse contient également deux projets secondaires. Le premier montre que la capacité de former un biofilm n'est pas un prérequis pour le succès de l'initiation de l'endocardite à S. gordonii. Le second caractérise le gène de l'a-phosphoglucomutase de S. gordonii et montre que son inactivation résulte en une perte de fitness in vitro et de virulence in vivo.

Characterising avian haemosporidian communities : ecological factors, parasite persistence and co-infection

Les parasites jouent un rôle clef dans l'évolution des comportements et des traits d'histoire de vie de leurs hôtes. Le parasitisme s'avère parfois dévastateur à l'échelle de population d'hôtes, et peut également altérer certains traits associés à la valeur sélective d'un individu infecté, tels que son succès reproducteur ou encore son taux de mortalité. La coévolution hôte/parasite, qui représente l'une des forces sélectives les plus puissantes dans l'évolution des organismes, peut également conduire les partenaires de l'association parasitaire à s'adapter localement à des environnements hétérogènes. Cette thèse porte sur l'étude de parasites aviaires, du genre Plasmodium, Haemopro- teus et Leucocytozoon (Haemosporidae), naturellement associés à différentes populations de mésanges charbonnières (Parus major) et d'hirondelles des fenêtres (Delichon ur- bicum). Dans un premier temps, nous avons cherché à déterminer comment se distribuent ces parasites au sein de différentes populations hôtes et si ces communautés de parasites sont structurées. Par la suite, la principale question à laquelle nous voulions répondre était de savoir comment ces parasites, et notamment après coexistence de plusieurs lignées génétiques d'Haemosporidae au sein dun même-individu (i.e. co-infection), affectent la physiologie et le succès de reproducteur des hôtes. Nos résultats suggèrent que la distribution des Haemosporidae est principalement gouvernée par la présence d'insectes vecteurs et que la persistance de l'infection chez les hôtes varie en fonction du genre d'Haemosporidae (Chapitre 1-2). Par ailleurs, nous avons trouvé que des lignées de parasite génétiquement distinctes peuvent avoir des effets contrastés sur leurs hôtes. Par exemple, les hôtes exhibent des différences de parasitémie marquées en fonction des lignées de parasites responsable de l'infection. De plus, le succès reproducteur ainsi que la charge parasitaire des mésanges infectées par Plasmodium ou Haemoproteus n'étaient pas affecté par l'infection simultanée avec Leucocytozoon (Chapitre 2-3). Dans le Chapitre 4, j'ai examiné la capacité immunitaire de mésanges charbonnières infectées par des hémosporidies. Les résultats n'ont pas été concluant, et je suggère fortement une réévaluation de ceux-ci dans de futures études. Les mésanges charbonnières ne semblent pas signaler leur statut infectieux par la coloration de leur plumage (Chapitre 5); toutefois, la coloration noire des plumes reflète l'état de stress oxydatif des mésanges, qui dépend lui-même de l'infection parasitaire. La coloration verte pourrait également indiquer la qualité des soins paxentaux délivrés par les mésanges adultes femelles à leurs petits, comme le suggère la corrélation que nous avons observée entre la masse des jeunes d'une nichée et la coloration de leur mère. Les hirondelles capturées en Algérie souffrent plus de l'infection que celles échantillon¬nées en Europe (Chapitre 6). Les similitudes observées entre les communautés de par¬asites affectant les populations européennes et celles des populations nord-africaines suggèrent que la transmission des parasites a lieu lors de la migration vers le sud. A l'instar de nos observations sur les mésanges dans les chapitres 2 et 3, les hirondelles co-infectées ne montrent pas d'altérations de leur condition physique. Cette thèse démontre qu'il existe, au sein des populations de mésanges charbonnières, des interactions antagonistes entre, d'une part, les parasites et leurs hôtes et d'autre part, entre différent parasites. Le résultat de ces interactions antagonistes varie en fonction des espèces et de la zone géographique considérée. Nous avons démontré que les interactions ne suivent pas toujours la théorie, puisque la coevolution qui, en suivant le concept de la virulence, devrait augmenter la charge parasitaire et diminuer la condition physique des hôtes, ne montre pourtant pas d'impact négatif sur les populations de mésanges. Nous pouvons maintenant concentrer nos efforts à la caractérisation des interactions antagonistes. De plus, grâce aux avancées des méthodes moléculaires, nous pouvons suivre et étudier en détails comment ces interactions se manifestent et quels sont leurs effets sur la condition physique des hôtes. - Parasites are key in shaping various behavioural and life-history traits of their hosts. The influence of parasitism on host populations varies from slight to devastating and might influence such parameters as mortality rates or reproductive success. Host-parasite coevolution is one of the most powerful selective forces in evolution and can lead to local adaptation of parasites and hosts in spatially structured environments. In this thesis, I studied haemosporidian parasites in different populations of great tits (Parus major) and house martins (Delichon urbicum). Firstly, I wanted to determine how parasites are distributed and if parasite communities are structured. The main question I wanted to address hereafter was how parasites, and specifically infection with multiple genera of parasites (i.e. co-infection) influenced host physiology and reproductive success. I found that parasite distribution is environmentally driven and could therefore be closely linked to vector prevalence; and that the stability of parasite infection over time is genus-dependent (Chapter 1 - 2). I further found that different haemosporidian lineages might interact differently with their hosts as parasitaemia was strongly lineage-specific and that the presence of Leucocytozoon parasites showed no correlation to Plasmodium or Haemoproteus parasitaemia, nor to great tit reproductive success (Chapter 2-3). In Chapter 4 I examined immune capacity of haemosporidian-infected great tits. The results proved inconclusive, and I strongly suggest re-evaluation hereof in future work. Great tits do not appear to signal parasite infection through plumage colouration (Chapter 5); however, infection did have a link to oxidative stress resistance which is strongly signalled through the black breast stripe, with darker males being more resistant and darker females less resistant. Females might incur different costs associated with darker stripes. This would allow reversal of signaling function. Green colouration could also serve as a cue for female provisioning quality as indicated by the strong correlation between colouration and chick body mass. Breeding house martins caught in Algeria suffer greater haemosporidian infection than European populations (Chapter 6). Similar parasite communities in European and North-African populations suggest transmission of parasites may occur during southward migration. Similarly to what was observed in great tits in Chapter 2 and 3, no relationship was found between parasite co-infection and Swiss house martin body condition. This thesis demonstrates that host-parasite and inter-parasite antagonistic interac¬tions exist in great tit populations. How these interactions play out is species dependent and varies geographically. I have demonstrated that interactions do not always follow the theory, as co-infection - which under the concept of virulence should increase parasitaemia and decrease body condition - showed no negative impact on great tit populations. We can now concentrate our efforts on characterising these antagonistic interactions, and with the advance in molecular methods, track and investigate how these interactions play out and what the effect on host fitness is.

The biology of cancer stem cells : part 1: nuclear translocation of CD44 : part 2: IMP2 in glioblastoma cancer stem cells

SummaryCancer stem cells (CSC) are poorly differentiated, slowly proliferating cells, with high tumorigenic potential. Some of these cells, as it has been shown in leukemia, evade chemo- and radiotherapy and recapitulate the tumor composed of CSC and their highly proliferative progeny. Therefore, understanding the molecular biology of those cells is crucial for improvement of currently used anti-cancer therapies.This work is composed of two CSC-related projects. The first deals with CD44, a frequently used marker of CSC; the second involves Imp2 and its role in CSC bioenergetics. PART 1. CD44 is a multifunctional transmembrane protein involved in migration, homing, adhesion, proliferation and survival. It is overexpressed in many cancers and its levels are correlated with poor prognosis. CD44 is also highly expressed by CSC and in many malignancies it is used for CSC isolation.In the present work full-lenght CD44 nuclear localization was studied, including the mechanism of nuclear translocation and its functional role in the nucleus. Full-length CD44 can be found in nuclei of various cell types, regardless of their tumorigenic potential. For nuclear localization, CD44 needs to be first inserted into the cell membrane, from which it is transported via the endocytic pathway. Upon binding to transportinl it is translocated to the nucleus. The nuclear localization signal recognized by transportinl has been determined as the first 20 amino acids of the membrane proximal intracellular domain. Nuclear export of CD44 is facilitated by exportin Crml. Investigation of the function of nuclear CD44 revealed its implication in de novo RNA synthesis.PART 2. Glioblastoma multiforme is the most aggressive and most frequent brain malignancy. It was one of the first solid tumors from which CSC have been isolated. Based on the similarity between GBM CSC and normal stem cells expression of an oncofetal mRNA binding protein Imp2 has been investigated.Imp2 is absent in normal brain as well as in low grade gliomas, but is expressed in over 75% GBM cases and its expression is higher in CSC compared to their more differentiated counterparts. Analysis of mRNA transcripts bound by Imp2 and its protein interactors revealed that in GBM CSC Imp2 may be implicated in mitochondrial metabolism. Indeed, shRNA mediated silencing of protein expression led to decreased mitochondrial activity, decreased oxygen consumption and decreased activity of respiratory chain protein complex I. Moreover, lack of Imp2 severely affected self-renewal and tumorigenicity of GBM CSC. Experimental evidence suggest that GBM CSC depend on mitochondrial oxidative phosphorylation as an energy producing pathway and that Imp2 is a novel regulator of this pathway.RésuméLes cellules cancéreuses souches sont des cellules peu différentiées, à proliferation lente et hautement tumorigénique. Ces cellules sont radio-chimio résistantes et sont capable reformer la tumeur dans sont intégralité, reproduisant l'hétérogénéité cellulaire présent dans la tumeur d'origine. Pour améliorer les therapies antitumorales actuelles il est crucial de comprendre les mécanismes moléculaires qui caractérisent cette sous-population de cellules hautement malignes.Ce travail de thèse se compose de deux projets s'articulant autour du même axe :Le CD44 est une protéine multifonctionnelle et transmembranaire très souvent utilisée comme marqueur de cellules souches tumorales dans différents cancers. Elle est impliquée dans la migration, l'adhésion, la prolifération et la survie des cellules. Lors de ce travail de recherche, nous nous sommes intéressés à la localisation cellulaire du CD44, ainsi qu'aux mécanismes permettant sa translocation nucléaire. En effet, bien que principalement décrit comme un récepteur de surface transmembranaire, le CD44 sous sa forme entière, non clivée en peptides, peut également être observé à l'intérieur du noyau de diverses cellules, quel que soit leur potentiel tumorigénique. Pour passer ainsi d'un compartiment cellulaire à un autre, le CD44 doit d'abord être inséré dans la membrane plasmique, d'où il est transporté par endocytose jusqu'à l'intérieur du cytoplasme. La transportai permet ensuite la translocation nucléaire du CD44 via une « séquence signal » contenue dans les 20 acides aminés du domaine cytoplasmique qui bordent la membrane. A l'inverse, le CD44 est exporté du noyau grâce à l'exportin Crml. En plus des mécanismes décrits ci-dessus, cette étude a également mis en évidence l'implication du CD44 dans la synthèse des ARN, d'où sa présence dans le noyau.Le glioblastome est la plus maligne et la plus fréquente des tumeurs cérébrales. Dans ce second projet de recherche, le rôle de IMP2 dans les cellules souches tumorales de glioblastomes a été étudié. La présence de cette protéine oncofoetale a d'abord été mise en évidence dans 75% des cas les plus agressifs des gliomes (grade IV, appelés glioblastomes), tandis qu'elle n'est pas exprimée dans les grades I à III de ces tumeurs, ni dans le cerveau sain. De plus, IMP2 est apparue comme étant davantage exprimée dans les cellules souches tumorales que dans les cellules déjà différenciées. La baisse de l'expression de IMP2 au moyen de shRNA a résulté en une diminution de l'activité mitochondriale, en une réduction de la consommation d'oxygène ainsi qu'en une baisse de l'activité du complexe respiratoire I.L'inhibition de IMP2 a également affecté la capacité de renouvellement de la population des cellules souches tumorales ainsi que leur aptitude à former des tumeurs.Lors de ce travail de thèse, une nouvelle fonction d'un marqueur de cellules souches tumorales a été mise en évidence, ainsi qu'un lien important entre la bioénergétique de ces cellules et l'expression d'une protéine oncofoetale.

The structure of nervous tissue and of Gram-positive bacteria studied by cryo-electron microscopy of vitreous sections

Résumé La structure, ou l'architecture, des êtres vivants définit le cadre dans lequel la physique de la vie s'accomplit. La connaissance de cette structure dans ses moindres détails est un but essentiel de la biologie. Son étude est toutefois entravée par des limitations techniques. Malgré son potentiel théorique, la microscopie électronique n'atteint pas une résolution atomique lorsqu'elle est appliquée ä la matièxe biologique. Cela est dû en grande partie au fait qu'elle contient beaucoup d'eau qui ne résiste pas au vide du microscope. Elle doit donc être déshydratée avant d'être introduite dans un microscope conventionnel. Des artéfacts d'agrégation en découlent inévitablement. La cryo-microscopie électronique des sections vitreuses (CEMOVIS) a ëté développée afin de résoudre cela. Les spécimens sont vitrifiés, c.-à-d. que leur eau est immobilisée sans cristalliser par le froid. Ils sont ensuite coupés en sections ultrafines et celles-ci sont observées à basse température. Les spécimens sont donc observés sous forme hydratée et non fixée; ils sont proches de leur état natif. Durant longtemps, CEMOVIS était très difficile à exécuter mais ce n'est plus le cas. Durant cette thèse, CEMOVIS a été appliqué à différents spécimens. La synapse du système nerveux central a été étudiée. La présence dans la fente synaptique d'une forte densité de molécules organisées de manière périodique a été démontrée. Des particules luminales ont été trouvées dans Ies microtubules cérébraux. Les microtubules ont servi d'objets-test et ont permis de démontrer que des détails moléculaires de l'ordre du nm sont préservés. La compréhension de la structure de l'enveloppe cellulaire des bactéries Grampositives aété améliorée. Nos observations ont abouti à l'élaboration d'un nouveau modèle hypothétique de la synthèse de la paroi. Nous avons aussi focalisé notre attention sur le nucléoïde bactérien et cela a suscité un modèle de la fonction des différents états structuraux du nucléoïde. En conclusion, cette thèse a démontré que CEMOVIS est une excellente méthode poux étudier la structure d'échantillons biologiques à haute résolution. L'étude de la structure de divers aspects des êtres vivants a évoqué des hypothèses quant à la compréhension de leur fonctionnement. Summary The structure, or the architecture, of living beings defines the framework in which the physics of life takes place. Understanding it in its finest details is an essential goal of biology. Its study is however hampered by technical limitations. Despite its theoretical potential, electron microscopy cannot resolve individual atoms in biological matter. This is in great part due to the fact. that it contains a lot of water that cannot stand the vacuum of the microscope. It must therefore be dehydrated before being introduced in a conventional mìcroscope. Aggregation artefacts unavoidably happen. Cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) has been developed to solve this problem. Specimens are vitrified, i.e. they are rapidly cooled and their water is immobilised without crystallising by the cold. They are then. sectioned in ultrathin slices, which are observed at low temperatures. Specimens are therefore observed in hydrated and unfixed form; they are close to their native state. For a long time, CEMOVIS was extremely tedious but this is not the case anymore. During this thesis, CEMOVIS was applied to different specimens. Synapse of central nervous system was studied. A high density of periodically-organised molecules was shown in the synaptic cleft. Luminal particles were found in brain microtubules. Microtubules, used as test specimen, permitted to demonstrate that molecular details of the order of nm .are preserved. The understanding of the structure of cell envelope of Gram-positive bacteria was improved. Our observations led to the elaboration of a new hypothetic model of cell wall synthesis. We also focused our attention on bacterial nucleoids and this also gave rise to a functional model of nucleoid structural states. In conclusion, this thesis demonstrated that CEMOVIS is an excellent method for studying the structure of bìologìcal specimens at high resolution. The study of the structure of various aspects of living beings evoked hypothesis for their functioning.

Mechanism of HFR1 function in adaptive growth responses in "Arabidopsis thaliana"

AbstractPlants are sessile organisms, which have evolved an astonishing ability to sense changes in their environment. Depending on the surrounding conditions, such as changes in light and temperature, plants modulate the activity of important transcriptional regulators. The shade avoidance syndrome (SAS) is one important mechanism for shade-intolerant plants to adapt their growth in high vegetative density. In shaded conditions plants sense a diminished red/far-red ratio via the phytochrome system and respond with morphological changes such as elongation growth of stems and petioles. The Phytochrome Interacting Factors 4 and 5 (PIF4 and PIF5) are positive regulators of the SAS and required for a full response (Lorrain et al, 2008). They regulate the SAS by inducing the expression of shade avoidance marker genes such as PIL1, ATHB2, XTR7 and HFR1 (Hornitschek et al, 2009; Lorrain et al, 2008).I investigated the molecular mechanism underlying the regulation of the SAS by HFR1 (long Hypocotyl in FR light). Although HFR1 is a PIF-related bHLH transcription factor, we discovered that HFR1 is a non-DNA binding protein. Moreover, we revealed that HFR1 inhibits an exaggerated SAS by forming non-DNA binding heterodimers with PIF4 and PIF5 (Hornitschek et al, 2009). This negative feedback loop is an important mechanism to limit elongation growth also in elevated temperatures. HFR1 accumulation and activity are highly temperature-dependent and the increased activity of HFR1 at warmer temperatures also provides an important restraint on PIF4-driven elongation growth (Foreman et al, 2011).Finally we performed a genome-wide analysis to determine how PIF4 and PIF5 regulate growth in response to shade. We identified potential PIF5- target genes, which represent many well-known shade-responsive genes. Our analysis of gene expression also revealed a role of PIF4 and PIF5 in simulated sun possibly via the regulation of auxin sensitivity.RésuméLes plantes sont des organismes sessiles ayant développé une capacité surprenante à détecter des changements dans leur environnement. En fonction des conditions extérieures, telles que les variations de lumière ou de température, elles adaptent l'activité d'importants régulateurs transcriptionnels. Le syndrome d'évitement de l'ombre (SAS), est un mécanisme important pour les plantes intolérantes à l'ombre leur permettant d'adapter leur croissance lorsqu'elles se développent dans des conditions de végétations très denses. Dans ces conditions, les plantes détectent une réduction de la quantité relative de lumière rouge par rapport à la lumière rouge-lointain (rapport R/FR). Ce changement, perçu via le système des phytochromes, induit des modifications morphologiques telle qu'une élongation des tiges et des pétioles. Les protéines PIF4 et PIF5 (Phytochrome Interacting Factors) sont des régulateurs positifs du SAS et sont nécessaires pour une réponse complète (Lorrain et al, 2008). Ces facteurs de transcription régulent le SAS en induisant l'expression de gènes marqueurs de cette réponse tels que PIL1, ATHB2, XTR7 et HFR1 (Hornitschek et al, 2009; Lorrain et al, 2008).J'ai étudié les mécanismes moléculaires sous-jacents à la régulation du SAS par HFR1 (long Hypocotyl in FR light). HFR1 est un facteur de transcription type bHLH de la famille des PIF, quoique nous ayons découvert que HFR1 est une protéine ne se liant pas à Γ ADN. Nous avons montré que HFR1 inhibe un SAS exagéré en formant des heterodimères avec PIF4 et PIF5 (Hornitschek et al, 2009). Nous avons également montré que cette boucle de régulation négative est également un mécanisme important pour limiter la croissance de l'élongation dans des conditions de fortes températures. De plus l'accumulation et l'activité de HFR1 augmentent avec la température ce qui permet d'inhiber plus fortement l'effet activateur de PIF4 sur la croissance.Enfin, nous avons effectué une analyse génomique à large échelle afin de déterminer comment PIF4 et PIF5 régulent la croissance en réponse à l'ombre. Nous avons identifié les gènes cibles potentiels de PIF5, correspondant en partie à des gènes connus dans la réponse de l'évitement de l'ombre. Notre analyse de l'expression des gènes a également révélé un rôle important de PIF4 et PIF5 dans des conditions de croissance en plein soleil, probablement via la régulation de la sensibilité à l'auxine.

Persistent infection of arenaviruses : molecular mechanisms and pathogenesis

Arenaviruses are enveloped negative single strand RNA viruses that include a number of important human pathogens. The most prevalent human pathogen among the arenaviruses is the Old World arenavirus Lassa virus (LASV) which is endemic in West Africa from Senegal to Cameroon. LASV is the etiologic agent of a severe viral hemorrhagic fever named Lassa fever whose mortality rate can reach 30% in hospitalized patients. One of the hallmarks of fatal arenavirus infection in humans is the absence of an effective innate and adaptive immune response. In nature, arenaviruses are carried by rodents which represent the natural reservoirs as well as the vectors for transmission. In their natural rodent reservoir, arenaviruses have the ability to establish persistent infection without any overt signs and symptoms of pathology. We believe that the modulation of the host cell's innate immunity by arenaviruses is a key determinant for persistence in the natural host and for the pathogenesis in man. In this thesis, we studied the interaction of arenaviruses with two main branches of the host's innate anti-viral defense, the type I interferon (IFN) system and virus-induced mitochondrial apoptosis. The arenavirus nucleoprotein (NP) is responsible for the anti-IFN activity of arenaviruses. Specifically, NP blocks the activation and the nuclear translocation of the transcription factor interferon regulatory factor 3 (IRF3) which leads to type I IFN production. LASV and the prototypic arenavirus lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) NPs contain a 3'-5'exoribonuclease domain in the C terminal part that has been linked to the anti-IFN activity of NP. In the first project, we sought to identify cellular component(s) of the type I IFN induction pathway targeted by the viral NP. Our study revealed that LCMV NP prevents the activation of IRF3 by blocking phosphorylation of the transcription factor. We found that LCMV NP specifically targets the IRF-activating kinase IKKs, and this specific binding is conserved within the Arenaviridae. We could also demonstrate that LCMV NP associates with the kinase domain of IKKs involving NP's C-terminal region. Lastly, we showed that the binding of LCMV NP inhibits the kinase activity of IKKs. This study allowed the discovery of a new cellular interacting partner of arenavirus NP. This newly described association may play a role in the anti-IFN activity of arenaviruses but potentially also in other aspects of arenavirus infection. For the second project, we investigated the ability of arenaviruses to avoid and/or suppress mitochondrial apoptosis. As persistent viruses, arenaviruses evolved a "hit and stay" survival strategy where the apoptosis of the host cell would be deleterious. We found that LCMV does not induce mitochondrial apoptosis at any time during infection. Specifically, no caspase activity, no cytochrome c release from the mitochondria as well as no cleavage of poly (ADP-ribose) polymerase (PARP) were detected during LCMV infection. Interestingly, we found that virus-induced mitochondrial apoptosis remains fully functional in LCMV infected cells, while the induction of type IIFN is blocked. Since both type IIFN production and virus- induced mitochondrial apoptosis critically depend on the pattern recognition receptor (PRR) RIG-I, we examined the role of RIG-I in apoptosis in LCMV infected cells. Notably, virus- induced mitochondrial apoptosis in LCMV infected cells was found to be independent of RIG- I and MDA5, but still depended on MAVS. Our study uncovered a novel mechanism by which arenaviruses alter the host cell's pro-apoptotic signaling pathway. This might represent a strategy arenaviruses developed to maintain this branch of the innate anti-viral defense in absence of type I IFN response. Taken together, these results allow a better understanding of the interaction of arenaviruses with the host cell's innate immunity, contributing to our knowledge about pathogenic properties of these important viruses. A better comprehension of arenavirus virulence may open new avenues for vaccine development and may suggest new antiviral targets for therapeutic intervention against arenavirus infections. - Les arenavirus sont des virus enveloppés à ARN simple brin qui comportent un grand nombre de pathogènes humains. Le pathogène humain le plus important parmi les arenavirus est le virus de Lassa qui est endémique en Afrique de l'Ouest, du Sénégal au Cameroun. Le virus de Lassa est l'agent étiologique d'une fièvre hémorragique sévère appelée fièvre de Lassa, et dont le taux de mortalité peut atteindre 30% chez les patients hospitalisés. L'une des caractéristiques principales des infections fatales à arenavirus chez l'Homme est l'absence de réponse immunitaire innée et adaptative. Dans la nature, les arenavirus sont hébergés par différentes espèces de rongeur, qui représentent à la fois les réservoirs naturels et les vecteurs de transmission des arenavirus. Dans leur hôte naturel, les arenavirus ont la capacité d'établir une infection persistante sans symptôme manifeste d'une quelconque pathologie. Nous pensons que la modulation de système immunitaire inné de la cellule hôte par les arenavirus est un paramètre clé pour la persistance au sein de l'hôte naturel, ainsi que pour la pathogenèse chez l'Homme. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'interaction des arenavirus avec deux branches essentielles de la défense antivirale innée de la cellule hôte, le système interféron (IFN) de type I et l'apoptose. La nucléoprotéine virale (NP) est responsable de l'activité anti-IFN des arenavirus. Plus spécifiquement, la NP bloque 1'activation et la translocation nucléaire du facteur de transcription IRF3 qui conduit à la production des IFNs de type I. La NP du virus de Lassa et celle du virus de la chorioméningite lymphocytaire (LCMV), l'arénavirus prototypique, possèdent dans leur extrémité C-terminale un domaine 3'-5' exoribonucléase qui a été associé à l'activité anti-IFN de ces protéines. Dans un premier projet, nous avons cherché à identifier des composants cellulaires de la cascade de signalisation induisant la production d'IFNs de type I qui pourraient être ciblés par la NP virale. Nos recherches ont révélé que la NP de LCMV empêche 1'activation d'IRF3 en bloquant la phosphorylation du facteur de transcription. Nous avons découvert que la NP de LCMV cible spécifiquement la kinase IKKe, et que cette interaction spécifique est conservée à travers la famille des Arenaviridae. Notre étude a aussi permis de démontrer que la NP de LCMV interagit avec le domaine kinase d'IKKe et que l'extrémité C-terminale de la NP est impliquée. Pour finir, nous avons pu établir que l'association avec la NP de LCMV inhibe l'activité kinase d'IKKe. Cette première étude présente la découverte d'un nouveau facteur cellulaire d'interaction avec la NP des arenavirus. Cette association pourrait jouer un rôle dans l'activité anti-IFN des arénavirus, mais aussi potentiellement dans d'autres aspects des infections à arénavirus. Pour le second projet, nous nous sommes intéressés à la capacité des arénavirus à éviter et/ou supprimer l'apoptose mitochondriale. En tant que virus persistants, les arénavirus ont évolué vers une stratégie de survie "hit and stay" pour laquelle l'apoptose de la cellule hôte serait néfaste. Nous avons observé qu'à aucun moment durant l'infection LCMV n'induit l'apoptose mitochondriale. Spécifiquement, aucune activité de caspase, aucune libération mitochondriale de cytochrome c ainsi qu'aucun clivage de la polymerase poly(ADP-ribose) (PARP) n'a été détecté pendant l'infection à LCMV. Il est intéressant de noter que l'apoptose mitochondriale induite par les virus reste parfaitement fonctionnelle dans les cellules infectées par LCMV, alors que l'induction de la réponse IFN de type I est bloquée dans les mêmes cellules. La production des IFNs de type I et l'apoptose mitochondriale induite par les virus dépendent toutes deux du récepteur de reconnaissance de motifs moléculaires RIG-I. Nous avons, par conséquent, investigué le rôle de RIG-I dans l'apoptose qui a lieu dans les cellules infectées par LCMV lorsqu'on les surinfecte avec un autre virus pro-apoptotique. En particulier, l'apoptose mitochondriale induite par les surinfections s'est révélée indépendante de RIG-I et MDA5, mais dépendante de MAVS dans les cellules précédemment infectées par LCMV. Notre étude démontre ainsi l'existence d'un nouveau mécanisme par lequel les arénavirus altèrent la cascade de signalisation pro-apoptotique de la cellule hôte. Il est possible que les arénavirus aient développé une stratégie permettant de maintenir fonctionnelle cette branche de la défense antivirale innée en l'absence de réponse IFN de type I. En conclusion, ces résultats nous amènent à mieux comprendre l'interaction des arénavirus avec l'immunité innée de la cellule hôte, ce qui contribue aussi à améliorer notre connaissance des propriétés pathogéniques de ces virus. Une meilleure compréhension des facteurs de virulence des arénavirus permet, d'une part, le développement de vaccins et peut, d'autre part, servir de base pour la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques utilisées dans le traitement des infections à arénavirus.

Nouveautés dans l'immunothérapie du cancer [New developments in cancer immunotherapy]

Les progrès récents dans l'élucidation des bases cellulaires et moléculaires de la réponse immunitaire permettent désormais le design de thérapies novatrices pour l'immunothérapie des tumeurs. Ces approches récentes se traduisent en des taux de réponse qui surpassent souvent ce qui peut être obtenu par des chimiothérapies conventionnelles ou des thérapies ciblées. Nous présentons ici les principaux développements en cours avec un accent sur l'expérience lausannoise dans le traitement du mélanome. Premièrement, les nouveaux développements dans la vaccination peptidique sont présentés. Deuxièmement, les approches de type transfert adoptif sont illustrées avec une attention particulière pour le conditionnement du patient par lymphodéplétion. Finalement, le projet lausannois d'optimisation rationnelle du récepteur TCR des lymphocytes est décrit. Recent progress unveiling the cellular and molecular basis of the immune response allows nowadays the design of novel therapies for tumor immunotherapy. These recent approaches translate into response rates that often surpass what can be obtained by conventional chemotherapies or targeted therapies. Here we present the main current developments with an accent on the Lausanne experience in the treatment of melanoma. First, the new developments of peptide-based vaccination are presented. Second, approaches related to adoptive transfer are illustrated with a particular attention for the patient conditioning using lymphodepletion. Finally, the Lausanne project of rational lymphocyte TCR optimization is described.

Integrative taxonomy of the Formica rufa group (Hymenoptera: Formicidae)

RESUME :Les fourmis du groupe Formica rufa, ou fourmis des bois, ainsi appelées en raison de leur préférence pour les écosystèmes forestiers, sont parmi les fourmis les plus fascinantes et les plus étudiées d'Europe. Ces fourmis jouent un rôle clé dans la plupart des forêts dans lesquelles elles vivent et sont considérées comme étant les meilleurs bioindicateurs de ces milieux. Pour ces raisons, les fourmis des bois sont protégées par la loi dans de nombreux pays européens, y compris en Suisse. Cependant, malgré leur protection, ces fourmis sont inscrites sur la liste rouge des espèces menacées dans plusieurs pays d'Europe et il est donc indispensable de bien les connaître afin de mieux les protéger.À l'heure actuelle, on considère que le groupe Formica rufa est composé de six espèces distinctes : F. rufa, F. polyctena, F. lugubris, F. paralugubris, F. aquilonia et F. pratensis. Toutefois, malgré la grande quantité d'études effectuées sur ces espèces, la systématique et l'identification des fourmis des bois sont toujours sujettes à discussion. Ceci est essentiellement dû au fait que ces espèces sont morphologiquement similaires et qu'elles sont parfois capables de s'hybrider ou de former des colonies mixtes.Une des conditions fondamentales pour toute étude en biologie de la conservation est l'identification correcte des espèces à protéger. Avec cette étude, nous désirons donc dénouer les problèmes liés à la systématique des fourmis des bois et analyser la diversité de ces espèces en adoptant une approche multidisciplinaire.Nous avons d'abord étudié la distribution des espèces jumelles F. lugubris et F. paralugubris dans les Álpes italiennes en re-analysant l'une des plus grandes collections de références sur ces espèces, déposée à l'Université de Pavie, Italie, et en récoltant de nouveaux échantillons sur le terrain. Nos analyses ont montré que F, paralugubris, décrite récemment et souvent «oubliée »par les chercheurs, est bien présente dans les Alpes et vit souvent en sympathie avec F. lugubris. Ensuite nous avons développé un outil moléculaire basé sur l'ADN mitochondrial pour une identification rapide et efficace de ces deux espèces. Au vu des bons résultats, nous avons étendu nos analyses génétiques (microsatellites) à toutes les espèces du groupe F. rufa, ce qui nous a permis de montrer que les outils moléculaires sont très efficaces pour identifier ces fourmis. En outre, nos analyses ont mis en évidence la présence d'une nouvelle espèce cryptique (appelée F. lugubris-X) au sein du Parc National Suisse. L'existence d'une nouvelle espèce peut avoir une grande influence sur les projets de conservation en faveur de ces espèces. Nous avons donc décidé de confirmer ce résultat avec des analyses comportementales et des analyses chimiques basées sur les phéromones sexuelles des différentes espèces, y compris F. lugubris-X. Les deux approches confirment nos données génétiques et indiquent que F. lugubris-X représente bel et bien une nouvelle espèce de fourmis des bois dans les Alpes Suisses.Les résultats de cette étude ont une grande importance du point de vue de la biodiversité. En plus, ils livrent aux futurs chercheurs des outils fiables pour l'identification des fourmis des bois et ouvrent de captivantes perspectives pour une meilleure protection de ces insectes et, par conséquent, de nos écosystèmes forestiers. .Abstract :Mound building red wood ants (species of the Formica rufa group) belong to one of the most studied groups of ants in Europe and have fundamental roles and positive effects in forested habitats of the northern hemisphere. In addition, they are considered among the most promising bioindicators of forest ecosystems. Because of their importance, these ants are protected by law in many European countries, including Switzerland. However, despite this protection, they are included on the red list of threatened species edited by the International Union for Conservation of Nature (IUCN) and on the red list of some particular countries like Switzerland. Because of their similar morphology and a high intraspecific variability, the morphological identification of these species can be quite complicated. In addition, they are sometimes able to hybridize or to form mixed colonies. Consequently, the taxonomy of this group of ants has been much debated during the past decades. Based on a phylogenetic study, today the group is considered to count six species in Europe: F. rufa, F. po/yctena, F. lugubris, F. paralugubris, F. aquilonia and F. pratensis. Nevertheless, the taxonomy of the group is often neglected mainly due to the lack of reliable and easy to use identification methods.Considering the importance of correct species assessment in conservation biology, in this study we want to disentangle the taxonomical difficulties within the Formica rufa group and to clarify the diversity of these protected ants, by using an integrative approach.We first analyzed the distribution of .the sibling species F. lugubris and F. paralugubris in the Italian Alps by collecting new samples on the field and by examining one of the major red wood ant collections, which is deposited at the University of Pavia, Italy. After that, we developed a molecular tool based on mitochondria) DNA, which provides a reliable and easy-to-use technique for the identification of F. lugubris and F. paralugubris. Afterwards, we extended the use of molecular markers for species identification to the whole F. rufa group and made a microsatellite analysis. Results confirm that molecular markers are consistent tools for species identification and that the six known species represent six different genetic pools. In addition, genetic data highlighted the existence of a new cryptic species in the Swiss Alps, called Formica lugubris-X.The presence of a new species can have a great influence on future conservation plans in favour of these protected ants and consequently for forested habitats. We therefore completed molecular data by behavioural (pupae recognition) and chemical analyses based on six pheromones of the entire F. rufa group. Both approaches are in accordance to genetic results and confirm that F. lugubris-X really represents a new cryptic species of red wood ant within the Swiss National Park (Eastern Swiss Alps).Results obtained in this study have a great importance in terms of biodiversity. Moreover, they provide important taxonomical information, reliable tools for species identifications and future perspectives for a consequent conservation of red wood ant species.

Endoplasmic reticulum stress promotes inflammation through activation of the NLRP3 inflammasome

SummaryMulticellular organisms have evolved an immune system in order to cope with the constant threats they are facing. Foreign pathogens or endogenous danger signals released by injured or dying host cells can be readily detected through a set of germline- encoded pattern-recognition receptors. The NOD-like receptors are a cytoplasmic family of pattern-recognition receptors that have recently attracted considerable attention due to their ability to form inflammasomes, which are molecular complexes responsible for the activation of caspase-1 and the subsequent processing of the pro¬inflammatory cytokines IL-IB and 11-18 into their mature, bioactive form.In this study, we describe a novel pro-inflammatory signaling pathway, whereby the endoplasmic reticulum promotes inflammation through activation of the NLRP3 inflammasome. This was shown to be independent of the classical endoplasmic reticulum stress response pathway constituted by the effectors IREla, PERK and ATF6a. In keeping with other known NLRP3 activators, generation of reactive oxygen species and potassium efflux were required. We also provide evidence that calcium signaling is critical to this pathway, and possibly integrates signaling triggered by various NLRP3 inflammasome activators. Moreover, the mitochondrial channel VDAC1 was instrumental in mediating this response. We thus propose that the endoplasmic reticulum acts as an integrator of stress and is able to activate the mitochondria in a calcium-dependent manner in order to promote NLRP3 inflammasome activation in response to a wide range of activators.Given the role played by inflammation in the pathogenesis of atherosclerosis, we decided to investigate a possible role for the NLRP3 inflammasome in the progression of the disease. Using an ApoE mouse model, we find that deficiency in the NLRP3 inflammasome components NLRP3, ASC or Caspase-1 does not impair atherosclerosis progression, nor does it impact plaque stability. While previous studies have clearly shown a role for the interleukin-1 family of ligands in atherosclerosis, our results suggest that its contribution might be more complex than previously appreciated, and further research is thus warranted in this field.RésuméLes organismes multicellulaires ont développé un système immunitaire pour faire face aux menaces qui les entourent. Des pathogènes étrangers ou des signaux de danger relâchés par des cellules de l'hôte en détresse peuvent être rapidement détectés via un assemblage de récepteurs spécifiques qui sont présents dès la naissance. Certains membres de la famille de récepteurs NOD ont récemment attiré beaucoup d'attention au vu de leur capacité à former des inflammasomes, complexes moléculaires responsables de l'activation de la easpase-1 et de la maturation des cytokines pro-inflammatoires IL- 1β et IL-18 en leur forme bioactive.Dans cette étude, nous décrivons une nouvelle voie de signalisation pro-inflammatoire, par laquelle le réticulum endoplasmique induit l'inflammation via l'activation de l'inflammasome NLRP3. Cette voie est indépendante de la voie classique de réponse au stress du réticulum endoplasmique, qui comprend les effecteurs IRE1, PERK et ATF6. Comme pour d'autres activateurs de NLRP3, la génération de radicaux libres d'oxygène ainsi que Γ efflux de potassium sont requis. Nous montrons également que le calcium joue un rôle critique dans cette voie, et intègre possiblement la signalisation provoquée par divers activateurs de l'inflammasome NLRP3. De plus, le canal mitochondrial VDAC1 est essentiel dans cette réponse. Nous proposons donc que le réticulum endoplasmique agit comme un intégrateur de stress, activant la mitochondrie d'une façon calcium-dépendante pour promouvoir l'activation de l'inflammasome NLRP3 en réponse à divers activateurs.Au vu du rôle joué par l'inflammation dans la pathogenèse de l'athérosclérose, nous avons étudié un possible rôle pour l'inflammasome NLRP3 dans la progression de la maladie. Dans un modèle de souris ApoE, l'absence des composants de l'inflammasome NLRP3 que sont NLRP3, ASC et Caspase-1 n'influence pas la progression des plaques ni leur stabilité. Alors que d'autres études ont démontré un rôle pour les membres de la famille de l'interleukine-1 dans l'athérosclérose, nos résultats suggèrent que leur contribution pourrait être plus complexe que précédemment apprécié, et d'autres recherches dans ce domaine sont donc nécessaires.

Protection from lethal Gram-negative bacterial sepsis by targeting Toll-like receptor 4

Rapport de synthèse : L'immunité innée regroupe les mécanismes moléculaires et cellulaires formant la première ligne de défense contre les infections microbiennes. La détection des micro-organismes pathogènes est assurée par des cellules sentinelles (cellules dendritiques et macrophages) qui jouent un rôle fondamental dans l'initiation des mécanismes de défense de l'hôte. Au contact de produits microbiens, ces cellules produisent un large échantillonnage de molécules, dont des cytokines, impliquées dans le développement de la réponse inflammatoire. La régulation de cette réponse relève d'un équilibre délicat, son insuffisance tant que son excès pouvant compromettre le devenir des patients infectés. La sepsis sévère et le choc septique représentent les formes les plus sévères d'infection, et leur mortalité demeure élevée (25 à 30% pour la sepsis sévère et 50 à 60% pour le choc septique). De plus, l'incidence de la sepsis tend à augmenter, atteignant en 2000 plus de 240 cas pour 100'000 personnes en Grande-Bretagne. La sepsis est caractérisée dans sa phase aiguë par une réponse inflammatoire exubérante. La plupart des thérapies visant à la bloquer ont toutefois montré des bénéfices incertains lors de leur application clinique. Il est donc impératif d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Les "Toll-like receptors" (TLRs) sont une famille de récepteurs qui jouent un rôle fondamental dans la détection des micro-organismes par les cellules du système immunitaire inné. Parmi eux, TLR4 est indispensable à la reconnaissance du lipopolysaccharide (LPS) des bactéries Gram-négatives. L'interaction entre TLR4 et le LPS représentant un élément précoce de la réponse de l'hôte à l'infection, nous avons émit l'hypothèse que TLR4 pourrait représenter une cible de choix en vue du développement de nouvelles thérapies contre la sepsis. Dans l'objectif de valider ce concept, nous avons, dans un premier temps, démontré que des souris génétiquement déficientes en TLR4 étaient totalement résistantes au choc septique induit par Escherichia coli (E. coli), une bactérie Gram-négative fréquemment responsable de sepsis. Forts de cette observation, nous avons développé une molécule recombinante composée du domaine extracellulaire de TLR4 fusionné à la partie IgGi-Fc. Cette molécule soluble, qui inhibait la réponse des macrophages au LPS in vitro, a été utilisée pour générer des anticorps anti-TLR4 chez le lapin. La spécificité et l'efficacité de ces anticorps ont été prouvées en démontrant que les anti-TLR4 bloquaient les signaux d'activation intracellulaire et la production de TNF et d'IL-6 en réponse au LPS et aux bactéries Gram-négatives in vitro et in vivo. Enfin, l'efficacité des ces anticorps a été testée dans des modèles de sepsis chez la souris. Ainsi, l'injection prophylactique (-lh) ou thérapeutique (+3h) d'anticorps anti-TLR4 réduisait la production de TNF et protégeait les animaux de la mort. De manière spectaculaire, ces anticorps réduisaient également la production de TNF et protégeaient de la sepsis à E. coli lorsqu'ils étaient administrés de manière prophylactique (-4h) et thérapeutique, jusqu'à 13 heures après l'initiation de l'infection. Ces résultats indiquent donc qu'il est possible de bloquer le développement de la réponse inflammatoire et de protéger du choc septique à bactéries Gram-négatives en utilisant des thérapies ciblant TLR4. Par ailleurs, ils suggèrent qu'une fenêtre d'opportunité de plusieurs heures pourrait être mise à profit pour initier un traitement chez les patients septiques. Ces résultats devraient encourager la poursuite des essais cliniques en cours qui visent à tester l'efficacité de thérapies dirigées contre TLR4 comme traitement complémentaire de la sepsis.

Tumor-host interactions Part 1: Stromal signatures of breast and prostate cancer Part 2: GLG1 and the control of the secretory pathway in tumor cells

Tumor-host interaction is a key determinant during cancer progression, from primary tumor growth to metastatic dissemination. At each step, tumor cells have to adapt to and subvert different types of microenvironment, leading to major phenotypic and genotypic alterations that affect both tumor and surrounding stromal compartments. Understanding the molecular mechanisms that govern tumor-host interplay may be essential for better comprehension of tumorigenesis in an effort to improve current anti-cancer therapies. The present work is composed of two projects that address tumor-host interactions from two different perspectives, the first focusing on the characterization of tumor-associated stroma and the second on membrane trafficking in tumor cells. Part 1. To selectively address stromal gene expression changes during cancer progression, oligonucleotide-based Affymetrix microarray technology was used to analyze the transcriptomes of laser-microdissected stromal cells derived from invasive human breast and prostate carcinoma. Comparison showed that invasive breast and prostate cancer elicit distinct, tumor-specific stromal responses, with a limited panel of shared induced and/or repressed genes. Both breast and prostate tumor-specific deregulated stromal gene sets displayed statistically significant survival-predictive ability for their respective tumor type. By contrast, a stromal gene signature common to both tumor types did not display prognostic value, although expression of two individual genes within this common signature was found to be associated with patient survival. Part 2. GLG1 is known as an E-selectin ligand and an intracellular FGF receptor, depending on cell type and context. Immunohistochemical and immunofluorescence analyses showed that GLG1 is primarily localized in the Golgi of human tumor cells, a central location in the biosynthetic/secretory pathways. GLG1 has been shown to interact with and to recruit the ARF GEF BIGI to the Golgi membrane. Depletion of GLG1 or BIGI markedly reduced ARF3 membrane localization and activation, and altered the Golgi structure. Interestingly, these perturbations did not impair constitutive secretion in general, but rather seemed to impair secretion of a specific subset of proteins that includes MMP-9. Thus, GLG1 coordinates ARF3 activation by recruiting BIGI to the Golgi membrane, thereby affecting secretion of specific molecules. - Les interactions tumeur-hôte constituent un élément essentiel à la progression tumorale, de la croissance de la tumeur primaire à la dissémination des métastases. A chaque étape, les cellules tumorales doivent s'adapter à différents types de microenvironnement et les détourner à leur propre avantage, donnant lieu à des altérations phénotypiques et génotypiques majeures qui affectent aussi bien la tumeur elle-même que le compartiment stromal environnant. L'étude des mécanismes moléculaires qui régissent les interactions tumeur-hôte constitue une étape essentielle pour une meilleure compréhension du processus de tumorigenèse dans le but d'améliorer les thérapies anti cancer existantes. Le travail présenté ici est composé de deux projets qui abordent la problématique des interactions tumeur-hôte selon différentes perspectives, le premier se concentrant sur la caractérisation du stroma tumoral et le second sur le trafic intracellulaire des cellules tumorales. Partie 1. Pour examiner les changements d'expression des gènes dans le stroma en réponse à la progression du cancer, des puces à ADN Affymetrix ont été utilisées afin d'analyser les transcriptomes des cellules stromales issues de carcinomes invasifs du sein et de la prostate et collectées par microdissection au laser. L'analyse comparative a montré que les cancers invasifs du sein et de la prostate provoquent des réponses stromales spécifiques à chaque type de tumeur, et présentent peu de gènes induits ou réprimés de façon similaire. L'ensemble des gènes dérégulés dans le stroma associé au cancer du sein, ou à celui de la prostate, présente une valeur pronostique pour les patients atteints d'un cancer du sein, respectivement de la prostate. En revanche, la signature stromale commune aux deux types de cancer n'a aucune valeur prédictive, malgré le fait que l'expression de deux gènes présents dans cette liste soit liée à la survie des patients. Partie 2. GLG1 est connu comme un ligand des sélectines E ainsi que comme récepteur intracellulaire pour des facteurs de croissances FGFs selon le type de cellule dans lequel il est exprimé. Des analyses immunohistochimiques et d'immunofluorescence ont montré que dans les cellules tumorales, GLG1 est principalement localisé au niveau de l'appareil de Golgi, une place centrale dans la voie biosynthétique et sécrétoire. Nous avons montré que GLG1 interagit avec la protéine BIGI et participe à son recrutement à la membrane du Golgi. L'absence de GLG1 ou de BIGI réduit drastiquement le pool d'ARF3 associé aux membranes ainsi que la quantité d'ARF3 activés, et modifie la structure de l'appareil de Golgi. Il est particulièrement intéressant de constater que ces perturbations n'ont pas d'effet sur la sécrétion constitutive en général, mais semblent plutôt affecter la sécrétion spécifique d'un sous-groupe défini de protéines comprenant MMP-9. GLG1 coordonne donc l'activation de ARF3 en recrutant BIGI à la membrane du Golgi, agissant par ce moyen sur la sécrétion de molécules spécifiques.

Role of the epithelial sodium channel (ENaC) in the epidermal barrier function of the skin

Abstract In humans, the skin is the largest organ of the body, covering up to 2m2 and weighing up to 4kg in an average adult. Its function is to preserve the body from external insults and also to retain water inside. This barrier function termed epidermal permeability barrier (EPB) is localized in the functional part of the skin: the epidermis. For this, evolution has built a complex structure of cells and lipids sealing the surface, the stratum corneum. The formation of this structure is finely tuned since it is not only formed once at birth, but renewed all life long. This active process gives a high plasticity and reactivity to skin, but also leads to various pathologies. ENaC is a sodium channel extensively studied in organs like kidney and lung due to its importance in regulating sodium homeostasis and fluid volume. It is composed of three subunits α, ß and r which are forming sodium selective channel through the cell membrane. Its presence in the skin has been demonstrated, but little is known about its physiological role. Previous work has shown that αENaC knockout mice displayed an abnormal epidermis, suggesting a role in differentiation processes that might be implicated in the EPB. The principal aim of this thesis has been to study the consequences for EPB function in mice deficient for αENaC by molecular and physiological means and to investigate the underlying molecular mechanisms. Here, the barrier function of αENaC knockout pups is impaired. Apparently not immediately after birth (permeability test) but 24h later, when evident water loss differences appeared compared to wildtypes. Neither the structural proteins of the epithelium nor the tights junctions showed any obvious alterations. In contrary, stratum corneum lipid disorders are most likely responsible for the barrier defect, accompanied by an impairment of skin surface acidification. To analyze in details this EPB defect, several hypotheses have been proposed: reduced sensibility to calcium which is the key activator far epidermal formation, or modification of ENaC-mediated ion fluxes/currents inside the epidermis. The cellular localization of ENaC and the action in the skin of CAPl, a positive regulator of ENaC, have been also studied in details. In summary, this study clearly demonstrates that ENaC is a key player in the EPB maintenance, because αENaC knockout pups are not able to adapt to the new environment (ex utero) as efficiently as the wildtypes, most likely due to impaired of sodium handling inside the epidermis. Résumé Chez l'homme, la peau est le plus grand organe, couvrant presque 2m2 et pesant près de 4kg chez l'adulte. Sa fonction principale est de protéger l'organisme des agressions extérieures mais également de conserver l'eau à l'intérieur du corps. Cette fonction nommée barrière épithéliale est localisée dans la partie fonctionnelle de la peau : l'épiderme. A cette fin, l'évolution s'est dotée d'une structure complexe composée de cellules et de lipides recouvrant la surface, la couche cornée. Sa formation est finement régulée, car elle n'est pas seulement produite à la naissance mais constamment renouvelée tout au long de la vie, ce qui lui confère une grande plasticité mais ce qui est également la cause de nombreuses pathologies. ENaC est un canal sodique très étudié dans le rein et le poumon pour son importance dans la régulation de l'homéostasie sodique et la régulation du volume du milieu intérieur. Il est composé de 3 sous unités, α, ß et y qui forment un pore sélectif pour le sodium dans les membranes. Ce canal est présent dans la peau mais sa fonction n'y est pas connue. Des travaux précédents ont pu montrer que les souris dont le gène codant pour αENaC a été invalidé présentent un épiderme pathologique, suggérant un rôle dans la différentiation et pourrait même être impliqué dans la barrière épithéliale. Le but de cette thèse fut l'étude de la barrière dans ces souris knockouts avec des méthodes moléculaires et physiologiques et la caractérisation des mécanismes moléculaire impliqués. Dans ce travail, il a été montré que les souris mutantes présentaient un défaut de la barrière. Ce défaut n'est pas visible immédiatement à la naissance (test de perméabilité), mais 24h plus tard, lorsque les tests de perte d'eau transépithéliale montrent une différence évidente avec les animaux contrôles. Ni les protéines de structures ni les jonctions serrées de l'épiderme ne présentaient d'imperfections majeures. A l'inverse, les lipides de la couche cornée présentaient un problème de maturation (expliquant le phénotype de la barrière), certainement consécutif au défaut d'acidification à la surface de la peau que nous avons observé. D'autres mécanismes ont été explorées afin d'investiguer cette anomalie de la barrière, comme la réduction de sensibilité au calcium qui est le principal activateur de la formation de l'épiderme, ou la modification des flux d'ions entre les couches de l'épiderme. La localisation cellulaire d'ENaC, et l'action de son activateur CAPl ont également été étudiés en détails. En résumé, cette étude démontre clairement qu'ENaC est un acteur important dans la formation de la barrière épithéliale, car la peau des knockouts ne s'adapte pas aussi bien que celle des sauvages au nouvel environnement ex utero à cause de la fonction d'ENaC dans les mouvements de sodium au sein même de l'épiderme. Résumé tout public Chez l'homme, la peau est le plus grand organe, couvrant presque 2m2 et pesant près de 4kg chez l'adulte. Sa fonction principale est de protéger l'organisme des agressions extérieures mais également de conserver l'eau à l'intérieur du corps. Cette fonction nommée barrière épithéliale est localisée dans la partie fonctionnelle de la peau : l'épiderme. A cette fin, l'évolution s'est dotée d'une structure complexe composée de cellules et de lipides recouvrant la surface, la couche cornée. Sa formation est finement régulée, car elle n'est pas seulement produite à la naissance mais constamment renouvelée tout au long de la vie, ce qui lui confère une grande plasticité mais ce qui est également la cause de nombreuses maladies. ENaC est une protéine formant un canal qui permet le passage sélectif de l'ion sodium à travers la paroi des cellules. Il est très étudié dans le rein pour son importance dans la récupération du sel lors de la concentration de l'urine. Ce canal est présent dans la peau mais sa fonction n'y est pas connue. Des travaux précédents ont pu montrer que les souris où le gène codant pour αENaC a été invalidé présentent un épiderme pathologique, suggérant un rôle dans la peau et plus particulièrement la fonction de barrière de l'épiderme. Le but de cette thèse fut l'étude de la fonction de barrière dans ces souris mutantes, au niveau tissulaire et cellulaire. Dans ce travail, il a été montré que les souris mutantes présentaient une peau plus perméable que celle des animaux contrôles, grâce à une machine mesurant la perte d'eau à travers la peau. Ce défaut n'est visible que 24h après la naissance, mais nous avons pu montrer que les animaux mutants perdaient quasiment 2 fois plus d'eau que les contrôles. Au niveau moléculaire, nous avons pu montrer que ce défaut provenait d'un problème de maturation des lipides qui composent la barrière de la peau. Cette maturation est incomplète vraisemblablement à cause d'un défaut de mouvement des ions dans les couches les plus superficielles de l'épiderme, et cela à cause de l'absence du canal ENaC. En résumé, cette étude démontre clairement qu'ENaC est un acteur important dans la formation de la barrière épithéliale, car la peau des mutants ne s'adapte pas aussi bien que celle des sauvages au nouvel environnement ex utero à cause de la fonction d'ENaC dans les mouvements de sodium au sein même de l'épiderme.

Novel action of a wake-promoting neuropeptide in hippocampus : inhibition of nmda receptor function at excitatory synapses through orexin-a

One of the most intriguing functions of the brain is the ability to learn and memorize. The mechanism through which memory and learning are expressed requires the activation of NMDA receptors (NMDARs). These molecular entities are placed at the postsynaptic density of excitatory synapses and their function is tightly controlled by the actions of several modulators at the extracellular, intracellular and pore sites. A large part of the intracellular modulation comes from the action of G-protein coupled receptors (GPCRs). Through intracellular cascades typically involving kinases and phosphatases, GPCRs potentiate or inhibit NMDARs, controlling the conductive state but also the trafficking within the synapse. The GPCRs are involved in the modulation of a variety of brain functions. Many of them control cognition, memory and learning performance, therefore, their effects on NMDARs are extensively studied. The orexinergic system signals through GPCRs and it is well known for the regulation of waking, feeding, reward and autonomic functions. Moreover, it is involved in potentiating hippocampus-related cognitive tasks. Orexin receptors and fibers are present within the hippocampus, but whether these directly modulate hippocampal cells and synapses has not yet been determined. During my thesis, I studied orexinergic actions on excitatory synaptic transmission via whole-cell patch-clamp recordings in rat acute hippocampal slices. I observed that exogenously applied orexin-A (ox-A) exerted a strong inhibitory action on NMDAR-mediated synaptic potentials at mossy fiber (MF)-CA3 synapses, by postsynaptically activating orexin-2 receptors, a minor inhibition at Schaffer collateral-CAl synapses and did not affect other synapses with the CA3 area. Moreover, I demonstrated that the susceptibility of NMDARs to ox- A depends on the tone of endogenous orexin known to fluctuate during the day-night cycle. In fact, in slices prepared during the active period of the rats, when endogenous orexin levels are high, NMDAR-currents were not affected by exogenously applied ox-A. The inhibitory effect of ox-A was, however, reverted when interfering with the orexinergic system through intraperitoneal injections of almorexant, a dual orexin receptor antagonist, during the active phase prior to slice preparation. This thesis work suggests that the orexinergic system regulates NMDAR-dependent information flow through select hippocampal pathways depending on the time-of-day. The specific orexinergic modulation of NMDARs at MFs dampens the excitability of the hippocampal circuit and could impede the mechanisms related to memory formation, possibly also following extended periods of waking. -- La capacité d'apprentissage et de mémorisation est une des fonctions les plus intrigantes de notre cerveau. Il a été montré qu'elles requièrent l'activation des récepteurs NMDA (NMDARs). Ces entités moléculaires sont présentes au niveau de la densité post-synaptique des synapses excitatrices et leur fonction est étroitement contrôlée par l'action de nombreux modulateurs au niveau extracellulaire, intracellulaire et membranaire de ces récepteurs. Une grande partie de la modulation intracellulaire s'effectue via l'action de récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs). Grace à leurs cascades intracellulaires typiquement impliquant des kinases et des phosphatases, les GPCRs favorisent l'activation ou l'inhibition des NMDARs, contrôlant ainsi leur perméabilité mais aussi leur mouvement à la synapse. Les GPCRs sont impliquées dans de nombreuses fonctions cérébrales telles que la cognition, la mémoire ainsi que la capacité d'apprentissage c'est pour cela que leurs effets sur les NMDARs sont très étudiés. Le système orexinergique fait intervenir ces GPCRs et est connu par son rôle dans la régulation de fonctions physiologiques telles que l'éveil, la prise alimentaire, la récompense ainsi que d'autres fonctions du système nerveux autonome. De plus, ce système est impliqué dans la régulation de tâches cognitives liées à l'hippocampe. Bien que les fibres et les récepteurs à l'orexine soient présents dans l'hippocampe, leur mécanisme d'action sur les cellules et les synapses de l'hippocampe n'a pas encore été élucidé. Durant ma thèse, je me suis intéressée aux effets de l'orexine sur la transmission synaptique excitatrice en utilisant la méthode d'enregistrement en patch-clamp en configuration cellule entière sur des tranches aiguës d'hippocampes de rats. J'ai observé que l'application exogène d'orexine A d'une part inhibe fortement les courants synaptiques dépendants de l'activation des NMDARs au niveau de la synapse entre les fibres moussues et CA3 via l'activation post-synaptique des orexine récepteurs 2 mais d'autre part n'inhibe que de façon mineure la synapse entre les collatérales de Schaffer et CAI et n'affecte pas les autres synapses impliquant CA3. J'ai également démontré que la sensibilité des NMDARs à l'orexine A dépend de sa concentration endogène qui fluctue durant le cycle éveil-sommeil. En effet, lorsque les coupes d'hippocampes sont préparées durant la période active de l'animal correspondant à un niveau endogène d'orexine élevé, l'application exogène d'orexine A n'a aucun effet sur les courants dépendants de l'activation des NMDARs. Cependant, l'injection dans le péritoine, durant la phase active de l'animal, d'un antagoniste des orexine récepteurs, l'almorexant, va supprimer l'effet inhibiteur de l'orexine A. Les résultats de ma thèse suggèrent donc que le système orexinergique module les informations véhiculées par les NMDARs via des voies de signalisation sélectives de l'hippocampe en fonction du moment de la journée. La modulation orexinergique des NMDARs au niveau des fibres moussues diminue ainsi l'excitabilité du circuit hippocampal et pourrait entraver les mécanismes liés à la formation de la mémoire, potentiellement après de longues périodes d'éveil.