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

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

Role and regulation of polyphosphate in leishmania parasites

Le protozoaire unicellulaire Leishmania est l'agent responsable de la leishmaniose, une maladie parasitaire humaine qui se manifeste par des lésions de la peau, se résolvant le plus souvent spontanément, jusqu'à des lésions viscérales fatales. Le parasite est transmis de l'insecte à l'hôte mammifère lors d'un repas sanguin de la mouche des sables et y réside respectivement sous formes extra- et intracellulaires. On estime que cette maladie touche environ 12 millions de personnes dans 98 pays. Etant donné que les médicaments disponibles à ce jour sont faiblement efficaces et/ou hautement toxiques, il est indispensable de consolider les connaissances sur le fonctionnement et la survie du parasite pour pouvoir développer de nouvelles stratégies de traitements et de préventions. Tous les organismes vivants, dont Leishmania, contiennent du polyphopshate (polyP). Cette molécule chargée négativement est constituée de trois jusqu'à plusieurs centaines de résidus de phosphates reliées par des liaisons à haute énergie. Le polyP sert donc de source d'énergie et de réservoir de phosphate; dans certaines espèces, il joue aussi un rôle dans l'adaptation au stress et la virulence de pathogènes. Ceci nous a amené à étudier le rôle du polyP dans le parasite Leishmania. L'enzyme responsable de la synthèse de polyP a été identifié récemment dans la levure : il s'agit de la chaperone de transport vacuolaire 4 (Vtc4). Nous avons identifié un homologue de Vtc4 chez les Trypanosomatidae, et avons donc décidé d'examiner sa fonction dans le métabolisme du polyP chez Leishmania. En éliminant l'expression de Vtc4 chez L. major et L. guyanensis, nous avons pu démontrer qu'il est indispensable pour la production de polyP chez Leishmania. De plus, nous avons constaté que ces parasites possèdent des chaînes de polyP allant de trois jusqu'à environ 300 résidus de phosphate. Le taux de polyP dans la cellule est précisément régulé et varie entre un très haut niveau durant la phase proliférative des promastigotes à un niveau bas en phase stationnaire tardive, alors que l'expression de Vtc4p reste stable. Dans les amastigotes intracellulaires, seulement des petites quantités de polyP et de Vtc4p sont détectées. En outre, l'absence de Vc4p et de polyP n'a pas d'effet significatif sur les infections in vivo de souris, ce qui indique que le polyP n'est pas nécessaire au développement de la leishmaniose. Ceci suggère que Vtc4p n 'est pas une bonne cible pour le développement de nouveaux traitements contre Leishmania. "Néanmoins, la présence du polyP favorise fortement la survie du parasite suite à un choc de température (37°C) et aide ainsi à sa persistance intracellulaire pendant les premiers jours d'infection de macrophages. En résumé, nos résultats indiquent que si le polyP a peu d'importance pendant l'infection et le développement de la leishmaniose chez la souris, il est par contre crucial pour l'adaptation à des situations de stress comme l'augmentation de la température. Le fait que le polyP a été conservé dans tous les organismes durant l'évolution suggère toutefois que cette molécule joue un rôle fondamental. Etant donné que l'absence de polyP n'a pas d'effet sur la survie des amastigotes, il pourrait être plus important dans la forme promastigote infectant la mouche des sables. - The unicellular protozoan parasite Leishmania is the causative agent of the human disease leishmaniasis, which can range from self-healing skin lesions to fatal visceral lesions. The parasite is transmitted from the insect vector to the mammalian host when the sand fly takes its blood meal and exists in an extra- and an intracellular form, respectively. The disease is estimated to affect 12 million people in 98 countries and currently available drug treatments are of relatively low potency and/or high toxicity. Thus, investigating parasite survival mechanisms and parasite adaptation to the two host environments contributes to the general understanding of Leishmania propagation and might therefore help to develop future treatments or preventions. All living cells, including Leishmania, contain a negatively charged polymer of a few up to several hundred phosphate residues. These so-called polyphosphates (polyPs) serve as an energy source and phosphate reservoir. In some organisms, polyP is also involved in adaptation to stresses and virulence of pathogens. Therefore we were interested in investigating the importance of polyP in Leishmania parasites. Recently, an eukaryotic enzyme responsible for polyP synthesis has been identified as the vacuolar transporter chaperone 4 (Vtc4) in yeast. We, and others, found a Vtc4 homologue in trypanosomatids and decided to examine its potential function in polyP metabolism. By generating VTC4 knock-out cell lines in L. major and Vtc4 knock-down cell lines in L. guyanensis, we were able to demonstrate that Vtc4p is responsible for the total amount of cellular polyP. We also observed that Leishmania polyP chain length ranges from a few up to around 300 residues and that its level is tightly regulated. PolyP abundance is highest during the logarithmic proliferating phase of promastigotes and decreases in the stationary phase, while Vtc4 protein expression remains stable during both phases. In the intracellular amastigote form, only low amounts of polyP and Vtc4p were detectable. Furthermore, absence of Vtc4p and polyP did not have a significant effect on in vivo mouse infections, indicating that polyP is not necessary for Leishmania disease progression. This suggests that Vtc4p would be a poor drug target against Leishmania infection. However, presence of the polymer strongly supported parasite survival during heat shock (37°C) and thereby promoted intracellular persistence during the first days of macrophage infections. Taken together, we found that polyP has little importance in Leishmania {in vivo) infection but that it plays a crucial role during adaptation to stress, such as heat shock. Given that polyP has been preciously conserved in all organisms during evolution it seems to play a fundamental role. Since absence of polyP does not affect amastigote survival, it might be significant for promastigote existence in the sand fly vector.

Role of PPARβ in keratinocyte adhesion and migration during skin wound healing

RESUME L'homéostasie du tissu cutané est assurée par des interactions étroites entre les cellules le composant et par l'équilibre entre la différenciation et la prolifération des kératinocytes devant permettre un renouvellement constant du tissu. Après une blessure, les kératinocytes environnant la zone blessée sont activés par des cytokines. Ils acquièrent alors un phénotype migratoire qui s'accompagne d'une modulation de l'activité protéolytique de la matrice extra cellulaire, d'une modulation de la dynamique du cytosquelette d'active, de la polarisation de la cellule, de l'affaiblissement des contacts entre cellules et de changements dans leurs contacts avec la matrice extra cellulaire. PPARβ est un facteur de transcription activé par les acides gras et leurs dérivés. Il appartient à la famille des récepteurs nucléaires aux hormones et son expression est avérée dans les kératinocytes des follicules pileux et dans les kératinocytes inter-folliculaires activés par la blessure cutanée. Le rôle de PPARβ dans la peau est principalement lié à son effet protecteur contre l'apoptose ainsi qu'à son implication dans l'équilibre dynamique entre la prolifération et la différentiation des kératinocytes. L'objet de ce travail fut de déterminer le rôle de PPARβ dans les processus d'adhésion et de migration des kératinocytes activés durant la régénération de l'épithélium blessé. Nous avons montré que les souris dépourvues du gène codant pour PPARβ ont de sévères imperfections affectant la morphologie de l'épithélium. Ce phénotype est corrélé à la modulation imparfaite du réseau d'active chez les souris dépourvues de PPARβ, à un défaut de localisation de l'intégrine α3 impliquée dans les complexes induisant la migration cellulaire, ainsi qu'à la modulation de l'expression d'acteurs majeurs affectant l'activité protéolytique de la matrice extra cellulaire. En conclusion, nos résultats montrent que PPARβ est impliqué dans le contrôle de la dynamique du cytosquelette d'active et la polarisation des kératinocytes activés. PPARβ étant impliqué dans l'acquisition d'un phénotype migratoire, il est légitime de se demander s'il intervient de même dans d'autres types cellulaires, par exemple dans la transition épithéliale-mésenchymateuse durant le développement, ou encore la progression de cellules tumorales. SUMMARY Highly coordinated intercellular interactions and single cell metabolism ensure cell and tissue maintenance of the skin. Healing of a skin wound involves keratinocyte activation by cytokines and growth factors. Activated keratinocytes acquire a motile phenotype that requires extracellular matrix remodeling and subsequent ligand activation through proteolytic activity, as well as cytoskeletal reorganisation induced by the release of cell-cell junctions and by the signalling relayed via integrin receptors and their cytoplasmic adaptors. PPARβ is a transcription factor activated by polyunsaturated fatty acids and fatty acid derivatives which belong to the nuclear hormone receptor superfamily. It is expressed in activated keratinocytes where it plays an essential role in protecting them from apoptosis. In addition, it plays an important function in hair follicle morphogenesis at the time of elongation, via the regulation of the balance between keratinocyte differentiation and proliferation. The aim of the present work was to determine if PPARβ is also involved in the regulation of migration and adhesion properties of keratinocytes during skin wound healing. We have shown that wounded PPARβ null mice display severe abnormalities of the keratinocyte migratory layer as shown at the histological level and using three-dimensional reconstruction. This altered migratory phenotype is correlated to altered dynamic of the actin cytoskeleton network, impaired α3 integrin localisation in migrating keratinocytes and changes in the expression of a key actor involved in extracellular matrix proteolytic activity. These results show that PPARβ is implicated in the fine tuning of the actin network organisation and the polarisation of activated keratinocytes following an epithelial wound. Whether these mechanisms are also controlled by PPARβ in other cell types during epithelial mesenchymal transition or tumour cell progression is an interesting question to rise.

Development and evaluation of antibody-MHC/peptide conjugates as a new form of cancer immunotherapy

Summary One of the major goals of cancer immunotherapy is the induction of a specific and effective antitumor cytotoxic T lymphocyte (CTL) response. However, the downregulation of Class I Major Histocompatibility Complexes (MHC) expression and the low level of tumor peptide presentation on tumor cell surface, ás well as the low immunogenicity of tumor specific antigens, limit the effectiveness of anti-tumor CTL responses. On the other hand, monoclonal antibodies, which bind with high affinity to tumor cell surface markers, are powerful tumor targeting tools. However, their capacity to .kill cancer cells is limited and mAb cancer treatments usually require the addition of different form of chemotherapy. The new cancer immunotherapy strategy described herein combines the advantage of the high tumor targeting capacity of monoclonal antibodies (mAb) with the powerful cytotoxicity of CD8 T lymphocytes directed against highly antigenic peptide-MHC complexes. Monoclonal antibody Fab fragments directed against a cell surface tumor associated antigen (TAA) are chemically coupled to soluble MHC class I complexes carrying a highly antigenic peptide. Antibody guided targeting and oligomerization of numerous antigenic class IMHC/peptide complexes on tumor cell surfaces can redirect the cytotoxicity of peptide-specific CD8 T cells towards target cancer cells. After the description of the production of murine anti-tumor xMHC/peptide conjugates in the first part of this thesis, the therapeutic potential of such conjugates were sequentially investigated in different syngeneic tumor mouse models. As a first proof of principle, transgenic OT-1 mice and later CEA transgenic C57BL/6 (B6) mice, adoptively transferred with OT-1 spleen cells and immunized with ovalbumin, were used as a model of high frequency of ova peptide specific T cells. In these mice, growth inhibition and regression of palpable colon carcinoma expressing CEA, were obtained by systemic injection of anti-CEA Fab/H-2Kb/ova peptide conjugates. Next, LCMV virus and influenza virus infection of B6 mice were used as viral models to redirect natural antiviral CTL responses to tumors via conjugates loaded with viral peptides. We showed that in mice infected with the LCMV virus, subcutaneous CEA-expressing tumor cells were inhibited by the H2Db/GP33 restricted anti-viral CTL response when preincubated before grafting with anti-CEA Fab-H-2Db/GP33 peptide conjugates. In mice infected with the influenza virus, lung metastases expressing the HER2 antigen were inhibited by the H-2Db/NP366 restricted CTLs response when preincubated before injection with anti-Her2 Fab-H-2Db/NP366 peptide conjugates. In the last chapter, the stability of the peptide in the anti-CEA Fab-H-2Db/GP33 conjugates was improved by the covalent photocross-link of the GP33 peptide in the H-2Db MHC groove. Thus, LCMV immune mice could reject CEA expressing tumors when treated with systemic injections of anti-CEA FabH-2Db/GP33 cross-linked conjugates. These results are encouraging for the potential application of this strategy in clinic. Such conjugates could be used alone in patients boosted by the relevant virus, or used in combination with existing T cell based ìmmunotherapy. Résumé Une des principales approches utilisées dans l'immunothérapie contre le cancer consiste en l'induction d'une réponse T cytotoxique (CTL) spécifiquement dirigée contre la tumeur. Cependant, le faible niveau d'expression des complexes majeurs d'histocompatibilité de classe I (CMH I) et de présentation des peptides tumoraux à la surface des cellules cancéreuses ainsi que la faible immunogenicité des antigens tumoraux, limitent l'efficacité de la réponse CTL. D'autre part,. l'injection d'anticorps monoclonaux (mAb), se liant avec une haute affinité aux marqueurs de surface des cellules tumorales, a fourni des résultats cliniques encourageant. Cependant l'efficacité de ces mAbs contre des tumeur solides reste limitée et necessite souvent l'addition de chimiotherapie. La nouvelle stratégie thérapeutique décrite dans ce travail associe le fort pouvoir de localisation des anticorps monoclonaux et le fort pouvoir cytotoxique des lymphocytes T CD8+. Des fragments Fab d'anticorps monoclonaux, dirigés contre des antigènes surexprimés à la surface de cellules tumorales, ont été chimiquement couplés à des CMH I solubles, portant un peptide fortement antigénique. Le ciblage et l'oligomérisation à la surface des cellules tumorales de nombreux CMH I présentant un peptide antigénique, va réorienter la cytotoxicité des cellules T CD8+ spécifiques du peptide présenté, vers les cellules tumorales cibles. Après une description de la production de conjugé anti-tumeur x CMH Upeptide dans la première partie de cette thèse, le potentiel thérapeutique de tels conjugés a été successivement étudiés in vivo dans différents modèles de tumeur syngénéiques. Tout d'abord, des souris OT-1 transgéniques, puis des souris C57BL/6 (B6) transférées avec des cellules de rate OT-1 puis immunisées avec l'ovalbumine, ont été employées comme modèle de haute fréquence de cellules T CD8+ spécifiques du peptide ova. Chez ces souris, l'inhibition de la croissance et la régression de nodules palpables de carcinomes exprimant l'antigène caccino embryonaire (ACE), ont été obtenues par l'injection systémique de conjugés anti-ACE Fab/H-2Kb/ova. Par la suite, l'infection de souris B6 par le virus LCMV et par le virus de la grippe, ont été utilisés comme modèles viraux pour redirigées des réponses anti-virales naturelles vers les tumeurs, en utilisant des conjugés chargés avec des peptides viraux. Nous avons montré que .chez les souris infectées par le LCMV, la croissance de carcinome sous-cutané est empêchée par la réponse anti-virale, spécifique du complexe H2Db/GP33, lorsque les cellules tumorales greffées sont pré-incubées avec des conjugés anti-CEA Fab-H-2Db/GP33. Dans le cas de souris infectées par le virus de la grippe, la métastatisation de mélanomes pulmonaires exprimant l'antigène HER-2 est inhibée par la réponse anti-virale spécifique du complexe H-2Db/NP366, après pré-incubation des cellules tumorales avec des conjugés anti-Her2 FabxH-2Db/NP366. Dans le dernier chapitre, la liaison covalente du peptide GP33 dans le complexe H-2Db a amélioré la stabilité des conjugés correspondants et a permis le traitement systémique de souris greffées avec des tumeurs exprimant l'ACE et infectées par le LCMV. L'ensemble de ces résultats sont encourageant pour l'application de cette strategie en clinique. De tels conjugués pourraient être employés seuls ou en combinaison avec des protocols d'immunisation peptidique anti-tumoral. Résumé pour un large public Dans les pays industrialisés, le cancer se situe au deuxième rang des causes de mortalité après les maladies cardiovasculaires. Les principaux traitement de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches mises en oeuvre pour la lutte contre le cancer. Elle peut être humorale, et s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la proliferation des cellules tumorales exprimant l'antigène. Certains sont utilisés en clinique pour le traitement de lymphomes, de carcinomes de l'ovaire et du sein ou encore de carcinomes metastatiques du côlon. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements exigent souvent d'être combiner avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et reposer sur une démarche de type vaccinal, consistant à générer des lymphocytes T cytotoxiques (cytotoxic T lymphocytes :CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Or les cellules tumorales ne presentent pas efficacement les peptides antigèniques, car elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des antigènes d'histocompatibilité de classe I, des molécules d'adhésion et des cytokines costimulatrices, et par une faible expression des antigènes associés aux tumeurs. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL specifiquement dirigés contre des antigens tumoraux, les régressions tumorales obtenus grace à ces vaccinations sont relativement rares. Alors que chez les personnes atteintes du cancer on observe l'instauration d'une tolérance immunitaire vis-à-vis de la tumeur, à l'inverse, notre systeme immunitaire reste parfaitement capable de combattre des infection virales classiques, tels que la grippe, qui font aussi appel à une réponse T cytotoxique. Notre groupe de recherche a donc eu l'idee de développer une nouvelle approche thérapeutique où une réponse immunitaire anti-virale très efficace serait redirigée vers les tumeurs par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons chimiquement couplés des fragments d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes surexprimés à la surface de cellules tumorales, à des CMH I portant un peptide viral antigénique. Les cellules tumorales, ciblées par le fragment anticorps et couvertes d' antigènes viraux présentés par des molécules de CMH I, peuvent ainsi tromper les lymphocytes cytotoxiques anti-viraux qui vont détruire les cellules tumorales comme si elles étaient infectées par le virus. Suite à des résultats prometteurs obtenus in vitro avec différents conjugués anticorps-CMH humain de type HLA.A2/peptide Flu, le but du projet était de tester in vivo des conjugués anticorps-CMH I murins sur des modèles expérimentaux de souris. Tout d'abord, des souris transgéniques pour un recepteur T specifique du peptide ova, puis des transferts adoptifs de ces cellules T specifiques dans des souris immunocompétentes, ont été choisi comme modèle de haute fréquence des cellules T spécifiques, et ont permi de valider le principe de la strategie in vivo. Puis, deux modèles viraux ont été elaboré avec le virus LCMV et le virus Influenza, pour réorienter des réponses antivirales naturelles vers les tumeurs grâce à des conjugés chargés avec des peptides viraux. Nous avons montré la grande capacité de nos conjugués à rediriger des réponses cytotoxiques vers les tumeurs et inhiber la croissance de tumeurs syngénéiques sous cutanés et pulmonaires. Ces résultats d'inhibition tumorales obtenus dans des souris immunocompétentes, grâce à l'injection de conjugués anticorps xCMH/peptide et réorientant deux réponses antivirales différentes vers deux modèles tumoraux syngeneiques, sont encourageant pour l'application de cette nouvelle stratégie en clinique.

Molecular modeling study of the binding and signaling properties of the TCRpMHC complex

The activation of the specific immune response against tumor cells is based on the recognition by the CD8+ Cytotoxic Τ Lymphocytes (CTL), of antigenic peptides (p) presented at the surface of the cell by the class I major histocompatibility complex (MHC). The ability of the so-called T-Cell Receptors (TCR) to discriminate between self and non-self peptides constitutes the most important specific control mechanism against infected cells. The TCR/pMHC interaction has been the subject of much attention in cancer therapy since the design of the adoptive transfer approach, in which Τ lymphocytes presenting an interesting response against tumor cells are extracted from the patient, expanded in vitro, and reinfused after immunodepletion, possibly leading to cancer regression. In the last decade, major progress has been achieved by the introduction of engineered lypmhocytes. In the meantime, the understanding of the molecular aspects of the TCRpMHC interaction has become essential to guide in vitro and in vivo studies. In 1996, the determination of the first structure of a TCRpMHC complex by X-ray crystallography revealed the molecular basis of the interaction. Since then, molecular modeling techniques have taken advantage of crystal structures to study the conformational space of the complex, and understand the specificity of the recognition of the pMHC by the TCR. In the meantime, experimental techniques used to determine the sequences of TCR that bind to a pMHC complex have been used intensively, leading to the collection of large repertoires of TCR sequences that are specific for a given pMHC. There is a growing need for computational approaches capable of predicting the molecular interactions that occur upon TCR/pMHC binding without relying on the time consuming resolution of a crystal structure. This work presents new approaches to analyze the molecular principles that govern the recognition of the pMHC by the TCR and the subsequent activation of the T-cell. We first introduce TCRep 3D, a new method to model and study the structural properties of TCR repertoires, based on homology and ab initio modeling. We discuss the methodology in details, and demonstrate that it outperforms state of the art modeling methods in predicting relevant TCR conformations. Two successful applications of TCRep 3D that supported experimental studies on TCR repertoires are presented. Second, we present a rigid body study of TCRpMHC complexes that gives a fair insight on the TCR approach towards pMHC. We show that the binding mode of the TCR is correctly described by long-distance interactions. Finally, the last section is dedicated to a detailed analysis of an experimental hydrogen exchange study, which suggests that some regions of the constant domain of the TCR are subject to conformational changes upon binding to the pMHC. We propose a hypothesis of the structural signaling of TCR molecules leading to the activation of the T-cell. It is based on the analysis of correlated motions in the TCRpMHC structure. - L'activation de la réponse immunitaire spécifique dirigée contre les cellules tumorales est basée sur la reconnaissance par les Lymphocytes Τ Cytotoxiques (CTL), d'un peptide antigénique (p) présenté à la suface de la cellule par le complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (MHC). La capacité des récepteurs des lymphocytes (TCR) à distinguer les peptides endogènes des peptides étrangers constitue le mécanisme de contrôle le plus important dirigé contre les cellules infectées. L'interaction entre le TCR et le pMHC est le sujet de beaucoup d'attention dans la thérapie du cancer, depuis la conception de la méthode de transfer adoptif: les lymphocytes capables d'une réponse importante contre les cellules tumorales sont extraits du patient, amplifiés in vitro, et réintroduits après immunosuppression. Il peut en résulter une régression du cancer. Ces dix dernières années, d'importants progrès ont été réalisés grâce à l'introduction de lymphocytes modifiés par génie génétique. En parallèle, la compréhension du TCRpMHC au niveau moléculaire est donc devenue essentielle pour soutenir les études in vitro et in vivo. En 1996, l'obtention de la première structure du complexe TCRpMHC à l'aide de la cristallographie par rayons X a révélé les bases moléculaires de l'interaction. Depuis lors, les techniques de modélisation moléculaire ont exploité les structures expérimentales pour comprendre la spécificité de la reconnaissance du pMHC par le TCR. Dans le même temps, de nouvelles techniques expérimentales permettant de déterminer la séquence de TCR spécifiques envers un pMHC donné, ont été largement exploitées. Ainsi, d'importants répertoires de TCR sont devenus disponibles, et il est plus que jamais nécessaire de développer des approches informatiques capables de prédire les interactions moléculaires qui ont lieu lors de la liaison du TCR au pMHC, et ce sans dépendre systématiquement de la résolution d'une structure cristalline. Ce mémoire présente une nouvelle approche pour analyser les principes moléculaires régissant la reconnaissance du pMHC par le TCR, et l'activation du lymphocyte qui en résulte. Dans un premier temps, nous présentons TCRep 3D, une nouvelle méthode basée sur les modélisations par homologie et ab initio, pour l'étude de propriétés structurales des répertoires de TCR. Le procédé est discuté en détails et comparé à des approches standard. Nous démontrons ainsi que TCRep 3D est le plus performant pour prédire des conformations pertinentes du TCR. Deux applications à des études expérimentales des répertoires TCR sont ensuite présentées. Dans la seconde partie de ce travail nous présentons une étude de complexes TCRpMHC qui donne un aperçu intéressant du mécanisme d'approche du pMHC par le TCR. Finalement, la dernière section se concentre sur l'analyse détaillée d'une étude expérimentale basée sur les échanges deuterium/hydrogène, dont les résultats révèlent que certaines régions clés du domaine constant du TCR sont sujettes à un changement conformationnel lors de la liaison au pMHC. Nous proposons une hypothèse pour la signalisation structurelle des TCR, menant à l'activation du lymphocyte. Celle-ci est basée sur l'analyse des mouvements corrélés observés dans la structure du TCRpMHC.

Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

Protection of pancreatic beta-cells by high density lipoproteins

SUMMARYThe incidence of type 2 diabetes (T2D) is increasing worldwide and is linked to the enhancement of obesity. The principal cause of T2D development is insulin resistance, which lead to the increase of insulin production by the pancreatic beta-cells. In a pathological environment, namely dyslipidaemia, hyperglycaemia and inflammation, beta-cell compensation will fail in more vulnerable cells and diabetes will occur. High Density Lipoproteins (HDLs), commonly named "good cholesterol" are known to be atheroprotective. Low levels of HDLs are associated with increased prevalence of cardiovascular disease but are also an independent risk factor for the development of T2D. HDLs were demonstrated to protect pancreatic beta-cells against several stresses. However the molecular mechanisms of the protection are unknown and the objectives of this work were to try to elucidate the way how HDLs protect. The first approach was a broad screening of genes regulated by the stress and HDLs. A microarray analysis was performed on beta-cells stressed by serum deprivation and rescued by HDLs. Among the genes regulated, we focused on 4E-BP1, a cap-dependent translational inhibitor. In addition, HDLs were also found to protect against several other stresses.Endoplasmic reticulum (ER) stress is a mechanism that may play a role in the onset of T2D. The unfolded protein response (UPR) is a physiological process that aims at maintaining ER homeostasis in conditions where the protein folding and secretion is perturbed. Specific signalling pathways are involved in the increase of folding, export and degradation capacity of the ER. However, in case where the stress is prolonged, this mechanism turns to be pathological, by inducing cell death effector pathways, leading to beta-cell apoptosis. In our study, we discovered that HDLs were protective against ER stress induced by drugs and physiological stresses such as saturated free fatty acids. HDLs protected beta-cells by promoting ER homeostasis via the improvement of the folding and trafficking od proteins from the ER to the Golgi apparatus.Altogether our results suggest that HDLs are important for beta-cell function and survival, by protecting them from several stresses and acting on ER homeostasis. This suggests that attempt in keeping normal HDLs levels or function in patients is crucial to lessen the development of T2D.RÉSUMÉL'incidence du diabète de type 2 est en constante augmentation et est fortement liée à l'accroissement du taux d'obésité. La cause principale du diabète de type 2 est la résistance à l'insuline, qui entraîne une surproduction d'insuline par les cellules bêta pancréatiques. Dans un environnement pathologique associé à l'obésité (dyslipidémie, hyperglycémie et inflammation), les cellules bêta les plus vulnérables ne sont plus capables de compenser en augmentant leur production d'insuline, dysfonctionnent, ce qui conduit à leur mort par apoptose. Les lipoprotéines de hautes densités (HDLs), communément appelées (( bon cholestérol », sont connues pour leurs propriétés protectrices contre l'athérosclérose. Des niveaux bas de HDLs sanguins sont associés au risque de développer un diabète de type 2. Les HDLs ont également montré des propriétés protectrices contre divers stresses dans la cellule bêta. Cependant, les mécanismes de protection restent encore inconnus et l'objectif de ce travail a été d'investiguer les mécanismes moléculaires de protection des HDLs. La première approche choisie a été une étude du profil d'expression génique par puce à ADN afin d'identifier les gènes régulés par le stress et les HDLs. Parmi les gènes régulés, notre intérêt s'est porté sur 4E-BP1, un inhibiteur de la traduction coiffe- dépendante, dont l'induction par le stress était corrélée avec une augmentation de l'apoptose. Suite à cette étude, les HDLs ont également montrés un rôle protecteur contre d'autres stresses. Il s'agit particulièrement du stress du réticulum endoplasmique (RE), qui est un mécanisme qui semble jouer un rôle clé dans le développement du diabète. L'UPR (« Unfolded Protein Response ») est un processus physiologique tendant à maintenir l'homéostasie du réticulum endoplasmique, organelle prépondérante pour la fonction des cellules sécrétrices, notamment lorsqu'elle est soumise à des conditions extrêmes telles que des perturbations de la conformation tertiaire des protéines ou de la sécrétion. Dans ces cas, des voies de signalisation moléculaires sont activées, ce qui mène à l'exportation des protéines mal repliées, à leur dégradation et à l'augmentation de l'expression de chaperonnes capables d'améliorer le repliement des protéines mal formées. Toutefois, en cas de stress persistant, ce mécanisme de protection s'avère être pathologique. En induisant des voies de signalisation effectrices de l'apoptose, il conduit finalement au développement du diabète. Dans cette étude, nous avons démontré que les HDLs étaient capables de protéger la cellule bêta contre le stress du RE induits par des inhibiteurs (thapsigargine, tunicamycine) ou des stresses physiologiques tels que les acides gras libres. Les HDLs ont la capacité d'améliorer l'homéostasie du RE, notamment en favorisant le repliement et le transfert des protéines du RE à l'appareil de Golgi.En résumé, ces données suggèrent que les HDLs sont bénéfiques pour la survie des cellules bêta soumises à des stresses impliqués dans le développement du diabète, notamment en restaurant l'homéostasie du RE. Ces résultats conduisent à soutenir que le maintien des taux de cholestérol joue un rôle important dans la limitation de l'incidence du diabète.

Retinal degeneration progression changes lentiviral vector cell targeting in the retina

Ce travail de thèse a été réalisé au sein de l'Unité de Thérapie Génique et Biologie des Cellules Souches de l'Hôpital Jules- Gonin dans le Service d'Ophtalmologie de l'Université de Lausanne. Ce laboratoire recherche des solutions thérapeutiques pour des maladies dégénératives et incurables de la rétine comme les rétinites pigmentaires (RP). Ayant déjà montré certains résultats dans le domaine, la thérapie génique a été notre outil pour ce travail. Cette méthode se base sur le principe de remplacer un gène déficient par sa copie normale, en transportant celle-ci au coeur même du noyau par un vecteur. Il existe à l'heure actuelle différents vecteurs. Un des plus efficaces est un vecteur viral non-réplicatif : le lentivirus, dérivé de HIV-1. Celui-ci a la capacité d'intégrer le génome de la cellule cible, lui conférant ainsi un nouveau matériel génétique. Notre but a été d'établir le tropisme du lentivirus dans une rétine en dégénérescence. Ce lentivirus est connu pour transduire efficacement les cellules de l'épithélium pigmentaire rétinien dans l'oeil adulte sain, ainsi que celles de la neurorétine, mais ce, uniquement durant le développement. On sait aussi que le vecteur lentiviral présente un tropisme différent selon les enveloppes dont il est muni ; par exemple, le lentivirus avec une enveloppe Mokola est connu pour transduire les cellules gliales du système nerveux central. La rétine qui dégénère montre quant à elle des changements de sa structure qui pourraient influencer la diffusion du vecteur et/ou son tropisme. Le postulat de base a été le suivant : chez l'adulte, la transduction des neurones de la rétine via le lentivirus pourrait être facilitée par l'altération de la membrane limitante externe induite par la dégénérescence (meilleure pénétrance du virus). D'un point de vue technique, nous avons utilisé deux types distincts de modèles murins de dégénérescence rétinienne : des souris Balb/C soumises à une dose toxique de lumière et les souris Rhodopsin knockout, animaux génétiquement modifiés. Comme vecteur viral, nous avons employé deux différents pseudotypes de lentivirus (caractérisés par les enveloppes virales) avec différents promoteurs (séquence d'ADN qui initie la transduction et confère la spécificité d'expression d'un gène). En changeant l'enveloppe et le promoteur, nous avons essayé de trouver la meilleure combinaison pour augmenter l'affinité du vecteur vis-à-vis des photorécepteurs d'abord, puis vis-à-vis d'autres cellules de la rétine. Nos résultats ont montré que la membrane limitante externe est effectivement altérée chez les deux modèles de dégénérescence, mais que cette modification ne favorise pas la transduction des photorécepteurs lorsqu'on utilise un vecteur lentiviral contenant une enveloppe VSVG et un promoteur photorécepteur-spécifique ou ubiquitaire. En effet, une forte réaction gliale a été observée. Par contre, en utilisant le lentivirus avec une enveloppe Mokola et un promoteur ubiquitaire, nous avons constaté une très bonne transduction au niveau des cellules de Millier dans la rétine en dégénérescence, phénomène non observé chez les souris sauvages. Ce travail a donc permis de trouver un vecteur viral efficace pour atteindre et transduire les cellules de Miiller, ceci seulement pendant la dégénérescence de la rétine. Ces cellules, une fois transduites, pourraient être utilisées pour sécréter dans la rétine des agents thérapeutiques tels que des facteurs neurotrophiques pour soutenir la survie des photorécepteurs ou des facteurs anti-angiogéniques pour prévenir la néo-vascularisation lors de diabète ou de dégénérescence maculaire liée à l'âge. - In normal mice, the lentiviral vector (LV) is very efficient to target the RPE cells, but transduces retinal neurons well only during development. In the present study, the tropism of LV has been investigated in the degenerating retina of mice, knowing that the retina structure changes during degeneration. We postulated that the viral transduction would be increased by the alteration of the iuter limiting membrane (OLM). Two different LV pseudotypes were tested using the VSVG arid the Mokola envelopes, as well as two animal models of retinal degeneration: light-damaged Balb-C and Rhodopsin knockout (Rho-/-) mice. After light damage, the OLM is altered and no significant increase of the number of transduced photoreceptors can be obtained with a LV-VSVG-Rhop-GFP vector. In the Rho-/- mice, an altération of the OLM was also observed, but the possibility of transducing photoreceptors was decreased, probably by ongoing gliosis. The use of a ubiquitous promoter allows better photoreceptor transduction, suggesting that photoreceptór-specific promoter activity change during late stages of photoreceptor degeneration. However, the number of targeted photoreceptors remains low. In contrast, LV pseudotyped with the tfokola envelope allows a wide dispersion of the ctor into the retina (corresponding to the injection bleb) with preferential targeting of Muller cells, a situation Mc\ does ot occur in the wild- type retina. Mokola-pseudotyped lentiviral vectors may serve to engineer these glial cells to deliver secreted therapeutic factors to a diseased area of the retina.

Autoreactive T cells that bypass negative selection are not tolerant and respond to self-antigen stimulation during infection

Le répertoire cellulaire Τ a pour but d'être tolérant aux antigènes du soi afin d'éviter l'induction de maladies autoimmunes. C'est pourquoi les lymphocytes Τ autoréactifs sont éliminés dans le thymus lors de leur développement par le processus de sélection négative. La plupart des recherches étudient les lymphocytes Τ de haute avidité. Ces lymphocytes Τ de haute avidité sont très sensibles et réagissent fortement à un antigène du soi. En conséquence, ces cellules induisent le développement de maladies autoimmunes lorsqu'elles ciblent des organes exprimant l'antigène du soi. Plusieurs études ont montré que les lymphocytes Τ qui réagissent faiblement aux antigènes spécifiques à un tissu, nommé lymphocytes Τ de faible avidité, peuvent contourner les mécanismes de tolérance centrale et périphérique. J'ai utilisé des souris Rip-mOva qui expriment l'Ovalbumine comme antigène du soi spécifique à un tissu. Dans ces souris transgéniques Rip-mOva, les lymphocytes Τ de faible avidité survivent à la sélection négative. Une fois stimulés à la périphérie, ces lymphocytes Τ CD8+ de faible avidité ont la capacité d'infiltrer les organes qui expriment l'antigène du soi chez les souris Rip-mOva et peuvent induire une destruction tissulaire. L'objectif principal de mon projet de thèse était de comprendre les caractéristiques phénotypiques et fonctionnelles de ces lymphocytes Τ dans un état d'équilibre et dans un contexte infectieux. Pour étudier ces cellules dans un modèle murin bien défini, nous avons généré des souris exprimant un récepteur de cellule Τ transgénique appelé OT-3. Ces souris transgéniques OT-3 ont des lymphocytes Τ CD8+ de faible avidité spécifiques à l'épitope SIINFEKL de l'antigène Ovalbumine. Nous avons démontré qu'un grand nombre de lymphocytes Τ CD8+ OT-3 ne sont pas éliminés lors de la sélection négative dans le thymus après avoir rencontré l'antigène du soi. Par conséquent, les lymphocytes Τ OT-3 de faible avidité sont présents dans une fenêtre de sélection comprise entre la sélection positive et négative. Cette limite se définie comme le seuil d'affinité et est impliquée dans l'échappement de certains lymphocytes Τ OT- 3 autoréactifs. A la périphérie, ces cellules sont capables d'induire une autoimmunité après stimulation au cours d'une infection, ce qui nous permet de les définir comme étant non tolérante et non dans un état anergique à la périphérie. Nous avons également étudié le seuil d'activation des lymphocytes Τ OT-3 à faible avidité à la périphérie et avons constaté que des ligands peptidiques plus faibles que l'épitope natif SIINFEKL sont capables de les activer au cours d'une infection ainsi que de les différencier en lymphocytes Τ effecteurs et mémoires. Les données illustrent une déficience lors de la sélection négative dans le thymus de lymphocytes Τ CD8+ autoréactifs de faible avidité contre un antigène du soi spécifique à tissu et montrent que ces cellules sont entièrement compétentes lors d'une infection. - The diverse Τ cell repertoire needs to be tolerant to self-antigen to avoid the induction of autoimmunity. This is why autoreactive developing Τ cells are deleted in the thymus. The deletion of self-reactive Τ cells occurs through the process of negative selection. Most studies investigated high avidity Τ cells. These high avidity Τ cells are very sensitive and strongly react to a self-antigen. As a consequence, these cells induce the development of autoimmunity when they target organs which express the self-antigen. High avidity autoreactive CD8+ Τ cells are deleted in the thymus. However, several studies have shown Τ cells that weakly respond to tissue-restricted antigen, referred to as low avidity Τ cells, can bypass central and peripheral tolerance mechanisms. I used Rip-mOva mice that expressed Ovalbumin as a neo self-antigen in a tissue-restricted fashion. In these transgenic Rip-mOva mice low avidity CD8+ Τ cells survive negative selection. Upon stimulation in the periphery, these low avidity CD8+ Τ cells have the ability to infiltrate organs that express the self-antigen in the Rip-mOva mice and can also induce the destruction of the tissue. The major aim of my PhD project was to understand the phenotypic and functionality characteristics of these Τ cells in a steady-state condition and in a context of an infection. To study these cells in a well-defined mouse model, we generated OT-3 Τ cell receptor transgenic mice that express low avidity CD8+ Τ cells that are specific for the SIINFEKL epitope of the Ovalbumin antigen. We have been able to demonstrate that a large number of OT-3 CD8+ Τ cells survive negative selection in the thymus after encountering the self-antigen. Thus, low avidity OT-3 Τ cells are present in a window of selection comprised between positive and negative selection. This boundary defined as the affinity threshold is involved in the escape of some autoreactive low avidity OT-3 Τ cells. Once they circulate in the periphery, they are able to induce autoimmunity after stimulation during an infection, allowing us to allocate these cells as being non-tolerant and not in an anergic state in the periphery. We have also looked at the threshold of activation of low avidity OT-3 CD8+ Τ cells in the periphery and found that peptide ligands that are weaker than the native SIINFEKL epitope are able to activate OT-3 Τ cells during an infection and to differentiate them into effector and memory Τ cells. The data illustrate the impairment of negatively selecting low avidity autoreactive CD8+ Τ cells against a tissue-restricted antigen in the thymus and shows that these cells are fully competent upon an infection.

Characterization of PHO1 and PHO1;H1 gene function in Arabidopsis thaliana

Summary Phosphorus is one of the major macronutrients required for plant growth and development. Plant roots acquire phosphorus as inorganic phosphate (Pi), which is further distributed to the shoot, via the transpiration stream and root pressure, where Pi is imported again into cells. PHO1 in Arabidopsis has been identified as a protein involved in the loading of Pi into the root xylem. PHO1 does not have any homology to described Pi transporters including the Pht1 family of H+/ Pi cotransporters. PHO1 bears two domains, SPX and EXS domains, previously identified in Saccharomyces cerevisiae proteins involved in Pi transport and/or sensing, or in sorting proteins to endomembranes. Phylogenetic analysis of the PHO1 gene family revealed the presence of three clusters, with PHO1 and PHO1;H1 forming one cluster. The biological significance behind this cluster was demonstrated by the complementation of the pho1 mutant with only PHO1 and PHO1;H1, of all the PHO1 family members, when expressed under the PHO1 promoter. PHO1 has been shown to be expressed mostly in the root vascular cylinder and at low level in the shoot. PHO1;H1 had a different expression pattern, being expressed in both root and shoot vascular cylinder to the same level, with the levels in leaves increasing with the leaf maturity, suggesting additional role of PHO1;H1 in the Pi mobilization in leaves. In order to further explore the role of PHO1, Pi dynamics was studied on plants expressing PHO1 at different levels compared to the wild type: PHO1 overexpressors, PHO1 underexpressors and the pho1 mutant. Overexpression of the PHO1 protein in the shoot vascular tissue was shown to lead to increased Pi efflux out of the leaf cells and Pi accumulation in the shoot xylem apoplast compared to wild type, confirming the hypothesized role of PHO1 in xylem loading with Pi. The overexpression of PHO1 in the shoot was responsible far both changed Pi dynamic and stunted growth of PHO1 overexpressors, as shown by grafting experiments between wild type and PHO1 overexpressor. We found a ca. 2 fold decrease of shoot phosphorus and a 5-10 fold decrease in vacuolar Pi content in the PHO1 underexpressors and the pho1 null mutant compared to wild type, consistent with the role of PHO1 in the transfer of Pi from the root to the shoot. Shoot Pi deficiency results in a poor growth of the pho1 mutant. Grafting experiments between pho1 and wild type confirmed that both Pi deficiency and stunt growth of the pho1 mutant were dependent on the pho1 root, further supporting the importance of PHO1 in the root xylem loading with Pi. The pho1 mutant and the PHO1 underexpressors accumulated 8-15 fold more Pi in the root relative to wild type. In contrast to the pho1 mutant, the growth of PHO1 underexpressors was not impaired by the low shoat Pi content. This finding suggests that either PHO1 protein or root Pi concentration is important in Pi signaling and development of Pi deficiency symptoms leading to reduced growth. Résumé Le phosphore est l'un des nutriments essentiels à la croissance et au développement des plantes. Les racines absorbent le phosphore sous forme de phosphate inorganique (Pi) qui est dirigé, par la transpiration et la pression de la racine, vers les feuilles où le phosphate est acquis par les cellules. La protéine PHO1 a été démontrée indispensable au chargement du Pi dans le xylème des racines d'Arabidopsis. PHO1 ne démontre pas d'homologie aux transporteurs de Pi connus, incluant la famille Pht1 de cotransporteurs H+/Pi qui ont comme fonction le transport du phosphate à l'intérieur de la cellule. PHO1 contient deux domaines, SPX et EXS, aussi présents dans des protéines de Saccharomyces cerevisiae impliquées dans le transport ou la perception du phosphate, ou dans la localisation des protéines vers différentes membranes. Le génome d'Arabidopsis contient onze gènes homologues à PHO1. Neuf de ces homologues sont répartis en trois groupes. PHO1 et PHO1;H1 forment un de ces groupes. Nos travaux ont démontré que seuls PHO1;H1 et PHO1, sous contrôle du promoteur PHO1, peuvent complémenter le mutant pho1. PHO1 est exprimé principalement dans le cylindre vasculaire de la racine et faiblement dans la partie aérienne. Le degré d'expression de PHO1;H1 est similaire dans le cylindre vasculaire de la racine et des feuilles. Ceci suggère que PHO1;H1 est aussi impliqué dans la mobilisation du Pi dans les feuilles, en plus de son rôle dans le transfert du Pi dans le xylème des racines. Afin de mieux explorer le rôle de PHO1, la dynamique du phosphate a été observée dans trois lignées de plantes transgéniques: un sur-expresseur de PHO1, un sous-expresseur de PHO1 et le mutant pho1. La sur-expression de PHO1 dans le tissue vasculaire des feuilles a provoqué l'efflux du Pi vers l'espace apoplastic du xylème, ce qui confirme le rôle de PHO1 dans le chargement du Pi dans le xylème. La sur-expressìon de PHO1 dans la rosette est responsable d'un changement de la dynamique du Pi et de la diminution de la croissance, ce qui fut démontré par une expérience de greffe de la rosette du sur-expresseur de PHO1 sur les racines du sauvage. On a observé pour le sous-expresseur de PHO1 et le mutant pho1 une diminution du phosphore d'environ 2 fais au niveau des feuilles, et une diminution de 5-10 fois du Pi dans les vacuoles des feuilles, par rapport au sauvage. Ceci confirme le rôle proposé de PHO1 dans le transfert du Pi des racines aux feuilles. La carence de Pi chez pho1 implique une diminution de la taille de la rosette. Pour expliquer ce phénotype une autre expérience de greffe démontra que la cause de ce changement provenait des racines. Ceci renforce l'hypothèse de l'importance du rôle de PHO1 dans le xylème de la racine pour le chargement du Pi. Le mutant phot et le sous-expresseur de PHO1 accumulent 8-15 fois plus de Pi dans leurs racines comparé au sauvage. Cependant, contrairement au phot mutant, le sous-expresseur de PHO1 avait une croissance comparable au sauvage malgré le niveau bas du Pi dans les feuilles. Ceci suggère que la taille de la rosette lors d'une carence en Pi chez Arabidopsis serait la conséquence d'un changement de concentration de Pi dans les racines ou d'une influence de la protéine PHO1.

Establishment of models to study mouse and human retinogenesis "in vitro" : isolation and characterization of retinal stem cells

SUMMARY IN FRENCH Les cellules souches sont des cellules indifférenciées capables a) de proliférer, b) de s'auto¬renouveller, c) de produire des cellules différenciées, postmitotiques et fonctionnelles (multipotencialité), et d) de régénérer le tissu après des lésions. Par exemple, les cellules de souches hematopoiétiques, situées dans la moelle osseuse, peuvent s'amplifier, se diviser et produire diverses cellules différenciées au cours de la vie, les cellules souches restant dans la moelle osseuse et consentant leur propriété. Les cellules souches intestinales, situées dans la crypte des microvillosités peuvent également régénérer tout l'intestin au cours de la vie. La rétine se compose de six classes de neurones et d'un type de cellule gliale. Tous ces types de cellules sont produits par un progéniteur rétinien. Le pic de production des photorécepteurs se situe autour des premiers jours postnatals chez la souris. A cette période la rétine contient les cellules hautement prolifératives. Dans cette étude, nous avons voulu analyser le phénotype de ces cellules et leur potentiel en tant que cellules souches ou progénitrices. Nous nous sommes également concentrés sur l'effet de certains facteurs épigéniques sur leur destin cellulaire. Nous avons observé que toutes les cellules prolifératives isolées à partir de neurorétines postnatales de souris expriment le marqueur de glie radiaire RC2, ainsi que des facteurs de transcription habituellement trouvés dans la glie radiaire (Mash1, Pax6), et répondent aux critères des cellules souches : une capacité élevée d'expansion, un état indifférencié, la multipotencialité (démontrée par analyse clonale). Nous avons étudié la différentiation des cellules dans différents milieux de culture. En l'absence de sérum, l'EGF induit l'expression de la β-tubulin-III, un marqueur neuronal, et l'acquisition d'une morphologie neuronale, ceci dans 15% des cellules présentes. Nous avons également analysé la prolifération de cellules. Seulement 20% des cellules incorporent le bromodéoxyuridine (BrdU) qui est un marqueur de division cellulaire. Ceci démontre que l'EGF induit la formation des neurones sans une progression massive du cycle cellulaire. Par ailleurs, une stimulation de 2h d'EGF est suffisante pour induire la différentiation neuronale. Certains des neurones formés sont des cellules ganglionnaires rétiniennes (GR), comme l'indique l'expression de marqueurs de cellules ganglionnaires (Ath5, Brn3b et mélanopsine), et dans de rare cas d'autres neurones rétiniens ont été observés (photorécepteurs (PR) et cellules bipolaires). Nous avons confirmé que les cellules souches rétiniennes tardives n'étaient pas restreintes au cours du temps et qu'elles conservent leur multipotencialité en étant capables de générer des neurones dits précoces (GR) ou tardifs (PR). Nos résultats prouvent que l'EGF est non seulement un facteur contrôlant le développement glial, comme précédemment démontré, mais également un facteur efficace de différentiation pour les neurones rétiniens, du moins in vitro. D'autre part, nous avons voulu établir si l'oeil adulte humain contient des cellules souches rétiniennes (CSRs). L'oeil de certains poissons ou amphibiens continue de croître pendant l'âge adulte du fait de l'activité persistante des cellules souches rétiniennes. Chez les poissons, le CSRs se situe dans la marge ciliaire (CM) à la périphérie de la rétine. Bien que l'oeil des mammifères ne se développe plus pendant la vie d'adulte, plusieurs groupes ont prouvé que l'oeil de mammifères adultes contient des cellules souches rétiniennes également dans la marge ciliaire plus précisément dans l'épithélium pigmenté et non dans la neurorétine. Ces CSRs répondent à certains critères des cellules souches. Nous avons identifié et caractérisé les cellules souches rétiniennes résidant dans l'oeil adulte humain. Nous avons prouvé qu'elles partagent les mêmes propriétés que leurs homologues chez les rongeurs c.-à-d. auto-renouvellement, amplification, et différenciation en neurones rétiniens in vitro et in vivo (démontré par immunocoloration et microarray). D'autre part, ces cellules peuvent être considérablement amplifiées, tout en conservant leur potentiel de cellules souches, comme indiqué par l'analyse de leur profil d'expression génique (microarray). Elles expriment également des gènes communs à diverses cellules souches: nucleostemin, nestin, Brni1, Notch2, ABCG2, c-kit et son ligand, aussi bien que cyclin D3 qui agit en aval de c-kit. Nous avons pu montré que Bmi1et Oct4 sont nécessaires pour la prolifération des CSRs confortant leur propriété de cellules souches. Nos données indiquent que la neurorétine postnatale chez la souris et l'épithélium pigmenté de la marge ciliaire chez l'humain adulte contiennent les cellules souches rétiniennes. En outre, nous avons développé un système qui permet d'amplifier et de cultiver facilement les CSRs. Ce modèle permet de disséquer les mécanismes impliqués lors de la retinogenèse. Par exemple, ce système peut être employé pour l'étude des substances ou des facteurs impliqués, par exemple, dans la survie ou dans la génération des cellules rétiniennes. Il peut également aider à disséquer la fonction de gènes ou les facteurs impliqués dans la restriction ou la spécification du destin cellulaire. En outre, dans les pays occidentaux, la rétinite pigmentaire (RP) touche 1 individu sur 3500 et la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) affecte 1 % à 3% de la population âgée de plus de 60 ans. La génération in vitro de cellules rétiniennes est aussi un outil prometteur pour fournir une source illimitée de cellules pour l'étude de transplantation cellulaire pour la rétine. SUMMARY IN ENGLISH Stem cells are defined as undifferentiated cells capable of a) proliferation, b) self maintenance (self-renewability), c) production of many differentiated functional postmitotic cells (multipotency), and d) regenerating tissue after injury. For instance, hematopoietic stem cells, located in bone marrow, can expand, divide and generate differentiated cells into the diverse lineages throughout life, the stem cells conserving their status. In the villi crypt, the intestinal stem cells are also able to regenerate the intestine during their life time. The retina is composed of six classes of neurons and one glial cell. All these cell types are produced by the retinal progenitor cell. The peak of photoreceptor production is reached around the first postnatal days in rodents. Thus, at this stage the retina contains highly proliferative cells. In our research, we analyzed the phenotype of these cells and their potential as possible progenitor or stem cells. We also focused on the effect of epigenic factor(s) and cell fate determination. All the proliferating cells isolated from mice postnatal neuroretina harbored the radial glia marker RC2, expressed transcription factors usually found in radial glia (Mash 1, Pax6), and met the criteria of stem cells: high capacity of expansion, maintenance of an undifferentiated state, and multipotency demonstrated by clonal analysis. We analyzed the differentiation seven days after the transfer of the cells in different culture media. In the absence of serum, EGF led to the expression of the neuronal marker β-tubulin-III, and the acquisition of neuronal morphology in 15% of the cells. Analysis of cell proliferation by bromodeoxyuridine incorporation revealed that EGF mainly induced the formation of neurons without stimulating massively cell cycle progression. Moreover, a pulse of 2h EGF stimulation was sufficient to induce neuronal differentiation. Some neurons were committed to the retinal ganglion cell (RGC) phenotype, as revealed by the expression of retinal ganglion markers (Ath5, Brn3b and melanopsin), and in few cases to other retinal phenotypes (photoreceptors (PRs) and bipolar cells). We confirmed that the late RSCs were not restricted over-time and conserved multipotentcy characteristics by generating retinal phenotypes that usually appear at early (RGC) or late (PRs) developmental stages. Our results show that EGF is not only a factor controlling glial development, as previously shown, but also a potent differentiation factor for retinal neurons, at least in vitro. On the other hand, we wanted to find out if the adult human eye contains retina stem cells. The eye of some fishes and amphibians continues to grow during adulthood due to the persistent activity of retinal stem cells (RSCs). In fish, the RSCs are located in the ciliary margin zone (CMZ) at the periphery of the retina. Although, the adult mammalian eye does not grow during adult life, several groups have shown that the adult mouse eye contains retinal stem cells in the homologous zone (i.e. the ciliary margin), in the pigmented epithelium and not in the neuroretina. These RSCs meet some criteria of stem cells. We identified and characterized the human retinal stem cells. We showed that they posses the same features as their rodent counterpart i.e. they self-renew, expand and differentiate into retinal neurons in vitro and in vivo (indicated by immunostaining and microarray analysis). Moreover, they can be greatly expanded while conserving their sternness potential as revealed by the gene expression profile analysis (microarray approach). They also expressed genes common to various stem cells: nucleostemin, nestin, Bmil , Notch2, ABCG2, c-kit and its ligand, as well as cyclin D3 which acts downstream of c-kit. Furthermore, Bmil and Oct-4 were required for RSC proliferation reinforcing their stem cell identity. Our data indicate that the mice postnatal neuroretina and the adult pigmented epithelium of adult human ciliary margin contain retinal stem cells. We developed a system to easily expand and culture RSCs that can be used to investigate the retinogenesis. For example, it can help to screen drugs or factors involved, for instance, in the survival or generation of retinal cells. This could help to dissect genes or factors involved in the restriction or specification of retinal cell fate. In Western countries, retinitis pigmentosa (RP) affects 1 out of 3'500 individuals and age-related macula degeneration (AMD) strikes 1 % to 3% of the population over 60. In vitro generation of retinal cells is thus a promising tool to provide an unlimited cell source for cellular transplantation studies in the retina.

Identification and quantification techniques in mass spectrometry-based proteomics

Résumé La protéomique basée sur la spectrométrie de masse est l'étude du proteome l'ensemble des protéines exprimées au sein d'une cellule, d'un tissu ou d'un organisme - par cette technique. Les protéines sont coupées à l'aide d'enzymes en plus petits morceaux -les peptides -, et, séparées par différentes techniques. Les différentes fractions contenant quelques centaines de peptides sont ensuite analysées dans un spectromètre de masse. La masse des peptides est enregistrée et chaque peptide est séquentiellement fragmenté pour en obtenir sa séquence. L'information de masse et séquence est ensuite comparée à une base de données de protéines afin d'identifier la protéine d'origine. Dans une première partie, la thèse décrit le développement de méthodes d'identification. Elle montre l'importance de l'enrichissement de protéines comme moyen d'accès à des protéines de moyenne à faible abondance dans le lait humain. Elle utilise des injections répétées pour augmenter la couverture en protéines et la confiance dans l'identification. L'impacte de nouvelle version de base de données sur la liste des protéines identifiées est aussi démontré. De plus, elle utilise avec succès la spectrométrie de masse comme alternative aux anticorps, pour valider la présence de 34 constructions de protéines pathogéniques du staphylocoque doré exprimées dans une souche de lactocoque. Dans une deuxième partie, la thèse décrit le développement de méthodes de quantification. Elle expose de nouvelles approches de marquage des terminus des protéines aux isotopes stables et décrit la première méthode de marquage des groupements carboxyliques au niveau protéine à l'aide de réactifs composé de carbone 13. De plus, une nouvelle méthode, appelée ANIBAL, marquant tous les groupements amines et carboxyliques au niveau de la protéine, est exposée. Summary Mass spectrometry-based proteomics is the study of the proteome -the set of all expressed proteins in a cell, tissue or organism -using mass spectrometry. Proteins are cut into smaller pieces - peptides - using proteolytic enzymes and separated using different separation techniques. The different fractions containing several hundreds of peptides are than analyzed by mass spectrometry. The mass of the peptides entering the instrument are recorded and each peptide is sequentially fragmented to obtain its amino acid sequence. Each peptide sequence with its corresponding mass is then searched against a protein database to identify the protein to which it belongs. This thesis presents new method developments in this field. In a first part, the thesis describes development of identification methods. It shows the importance of protein enrichment methods to gain access to medium-to-low abundant proteins in a human milk sample. It uses repeated injection to increase protein coverage and confidence in identification and demonstrates the impact of new database releases on protein identification lists. In addition, it successfully uses mass spectrometry as an alternative to antibody-based assays to validate the presence of 34 different recombinant constructs of Staphylococcus aureus pathogenic proteins expressed in a Lactococcus lactis strain. In a second part, development of quantification methods is described. It shows new stable isotope labeling approaches based on N- and C-terminus labeling of proteins and describes the first method of labeling of carboxylic groups at the protein level using 13C stable isotopes. In addition, a new quantitative approach called ANIBAL is explained that labels all amino and carboxylic groups at the protein level.

ET-1 and NOS III gene expression regulation by plaque-free and plaque-prone hemodynamic conditions

Résumé: Les environnements hémodynamiques, favorisant ou protégeant contre la formation de la plaque, induisent tout deux une augmentation de la production d'anion superoxide dans les cellules endothéliales (ECs). Par ailleurs, une régulation différente de l'expression des gènes a été décrite dans les cellules exposées à ces différentes conditions. Dans le but d'investiguer le rôle de l'augmentation du stress oxydatif dans l'expression des gènes régulée par le flux, nous avons d'abord exposé les EC à un flux unidirectionnel, non pulsé. Dans ces conditions, l'état oxydatif des cellules endothéliales est augmenté de façon transitoire. L'expression du gène de l'endothéline 1 (ET-1) est aussi induite de façon transitoire par un tel flux, alors que l'expression du gène de la nitiric oxyde synthase endothéliale (NOS III) est stimulé de façon durable. Au contraire, un flux unidirectionnel pulsé, qui induit une augmentation durable de la production d'anion superoxide, augmente aussi de façon durable l'expression des gènes de ET-1 comme de NOS III. Un flux oscillatoire (favorisant la plaque), qui lui aussi ,a des effets à long terme sur la production d'anion superoxide, a uniquement augmenté l'expression de ET-1. De plus, l'utilisation d'un antioxydant, a seulement partiellement inhibé la stimulation de l'expression du gène NOS III par le flux unidirectionnel pulsé, alors qu'il a complètement abrogé la stimulation de l'expression du gène ET-1 par le flux unidirectionnel pulsé et oscillatoire. Ceci suggère que les forces mécaniques régulent l'expression des gènes dans les EC par un double mécanisme dépendant et indépendant du stress oxidatif des cellules. Par ailleurs, ces résultats supportent ultérieurement l'hypothèse que la balance entre la réponse oxidative et anti-oxidante dans les cellules endothéliales exposées à un environnement hémodynamique est une des clés de la prédisposition à un dysfonctionnement endothélial observé dans des régions exposées à des flux perturbés. Abstract: Both plaque-free and plaque-prone hemodynamic environments induce an increase in the oxidative state of endothelial cells (ECs), whereas differential gene expression regulation was described in cells exposed to these conditions. In order to investigate the role of the increased oxidative state in flow-regulation of gene expression, we first exposed EC to non-pulsed unidirectional shear stress. These conditions only slightly increases ECs oxidative state and endothelin-1 (ET-1) mRNA expression, whereas endothelial nitric oxide synthase (NOS III) mRNA level were significantly up-regulated. On the contrary, both ET-1 and NOS III gene expression were significantly induced in EC exposed to pulsed-unidirectional flow (plaque-free). Only ET-1 gene expression was up-regulated by oscillatory flow (plaque-prone). Moreover, use of an antioxidant only partially inhibited NOS III gene up-regulation by unidirectional flow, whereas it completely abrogated ET-1 gene up-regulation by unidirectional and oscillatory flows. Thus suggesting that mechanical forces regulate gene expression in ECs both via oxidative stress-dependent and -independent mechanisms.

Why human islets die? analysis of death signaling pathways during isolation and following cytokine treatments

RESUME Le diabète de type 1 se définit comme un désordre métabolique d'origine auto-immune qui aboutit à la destruction progressive et sélective de la cellule ß-pancréatique sécrétrice d'insuline. Cette maladie représente 10 % des cas de diabète enregistrés dans la population mondiale, et touche les jeunes de moins de 20 ans. Le traitement médical par insulinothérapie corrige le manque d'hormone mais ne prévient pas les nombreuses complications telles que les atteintes cardiaques, neurologiques, rénales, rétiniennes, et les amputations que la maladie provoque. Le remplacement de la cellule ß par transplantation d'îlots de Langerhans est une alternative prometteuse au traitement médical du diabète de type 1. Cependant la greffe d'îlots est encore un traitement expérimental et ne permet pas un contrôle efficace de la glycémie au long terme chez les patients transplantés, et les raisons de cet échec restent mal comprises. L'obstacle immédiat qui se pose est la purification d'un nombre suffisant d'îlots viables et la perte massive de ces îlots dans les premières heures suite à la greffe. Cette tendance presque systématique de la perte fonctionnelle du greffon immédiatement après la transplantation est connue sous le terme de « primary graft non-function » (PNF). En effet, la procédure d'isolement des îlots provoque la destruction des composantes cellulaires et non cellulaires du tissu pancréatique qui jouent un rôle déterminant dans le processus de survie de l'îlot. De plus, la transplantation elle-même expose les cellules à différents stress, notamment le stress par les cytokines inflammatoires qui encourage la mort cellulaire par apoptose et provoque par la suite le rejet de la greffe. L'ensemble de ces mécanismes aboutit a une perte de la masse d'îlot estimée a plus de 60%. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à définir les voies majeures de stress qui régissent cette perte massive d'îlot par apoptose lors du processus d'isolement et suite à l'exposition immédiate aux cytokines. L'ensemble des résultats obtenus indique que plusieurs voies de signalisation intracellulaire sont recrutées qui s'activent de manière maximale très tôt lors des premières phases de l'isolement. La mise en culture des îlots deux jours permet aux voies activées de revenir aux taux de base. De ce fait nous proposons une stratégie dite de protection qui doit être 1) initiée aussitôt que possible lors de l'isolement des îlots pancréatiques, 2) devrait probablement bloquer l'activation de ces différentes voies de stress mis en évidence lors de notre étude et 3) devrait inclure la mise en culture des îlots purifiés deux jours après l'isolement et avant la transplantation. RESUME LARGE PUBLIC Le diabète est une maladie qui entraîne un taux anormalement élevé de sucre (glucose) dans le sang du à une insuffisance du pancréas endocrine à produire de l'insuline, une hormone qui régule la glycémie (taux de glucose dans le sang). On distingue deux types majeurs de diabètes; le diabète de type 1 ou juvénile ou encore appelé diabète maigre qui se manifeste souvent pendant l'enfance et qui se traduit par une déficience absolue en insuline. Le diabète de type 2 ou diabète gras est le plus fréquent, et touche les sujets de plus de 40 ans qui souffrent d'obésité et qui se traduit par une dysfonction de la cellule ß avec une incapacité à réguler la glycémie malgré la production d'insuline. Dans le diabète de type 1, la destruction de la cellule ß est programmée (apoptose) et est majoritairement provoquée par des médiateurs inflammatoires appelés cytokines qui sont produites localement par des cellules inflammatoires du système immunitaire qui envahissent la cellule ß-pancréatiques. Les cytokines activent différentes voies de signalisation parmi lesquelles on distingue celles des Mitogen-Activated Protein Kinase (MAPKs) composées de trois familles de MAPKs: ERK1/2, p38, et JNK, et la voie NF-κB. Le traitement médical par injections quotidiennes d'insuline permet de contrôler la glycémie mais ne prévient pas les nombreuses complications secondaires liées à cette maladie. La greffe d'îlots de Langerhans est une alternative possible au traitement médical, considérée avantageuse comparée a la greffe du pancréas entier. En effet l'embolisation d'îlots dans le foie par injection intraportale constitue une intervention simple sans complications majeures. Néanmoins la technique de préparation d'îlots altère la fonction endocrine et cause la perte massive d'îlots pancréatiques. De plus, la transplantation elle-même expose la cellule ß à différents stress, notamment le stress par les cytokines inflammatoires qui provoque le rejet de greffon cellulaire. Dans la perspective d'augmenter les rendements des îlots purifiés, nous nous sommes intéressés à définir les voies majeures de stress qui régissent cette perte massive d'îlot lors du processus d'isolement et suite à l'exposition immédiate aux cytokines après transplantation. L'ensemble de ces résultats indique que le stress induit lors de l'isolement des îlots et celui des cytokines recrute différentes voies de signalisation intracellulaire (JNK, p38 et NF-κB) qui s'additionnent entre-elles pour altérer la fonction et la viabilité de l'îlot. De ce fait une stratégie doit être mise en place pour bloquer toute action synergique entre ces différentes voies activées pour améliorer la viabilité et la fonction de la cellule ß lors du greffon cellulaire. SUMMARY Type 1 diabetes mellitus (T1DM) is an autoimmune disease characterized by the progressive and selective destruction of the pancreatic ß-cells that secrete insulin, leading to absolute insulin deficiency. T1DM accounts for about 10% of all diabetes cases, affecting persons younger than 20 years of age. Medical treatment using daily exogenous insulin injection corrects hormone deficiency but does not prevent devastating complications such as heart attack, neuropathy, kidney failure, blindness, and amputation caused by the disease. Pancreatic islet transplantation (PIT) is one strategy that holds promise to cure patients with T1DM, but purified pancreatic islet grafts have failed to maintain long-term glucose homeostasis in human recipients, the reasons for this failure being still poorly understood. There is however a more immediate problem with islet grafting that is dependent upon poor islet recovery from donors and early islet loss following the first hours of grafting. This tendency of islet grafts to fail to function within a short period after transplantation is termed primary graft non-function (PNF). Indeed, the islet isolation procedure itself destroys cellular and non-cellular components of the pancreas that may play a role in supporting islet survival. Further, islet transplantation exposes cells to a variety of stressful stimuli, notably pro-inflammatory cytokines that encourage ß-cell death by apoptosis and lead to early graft failure. Altogether these mechanisms lead to an estimated loss of 60% of the total islet mass. Here, we have mapped the major intracellular stress signaling pathways that may mediate human islet loss by apoptosis during isolation and following cytokine attack. We found that several stress pathways are maximally activated from the earliest stages of the isolation procedure. Culturing islet for two days allow for the activated pathways to return to basal levels. We propose that protective strategies should 1) be initiated as early as possible during isolation of the islets, 2) should probably target the activated stress pathways that we uncovered during our studies and 3) should include culturing islets for two days post-isolation and prior transplantation.

New insights into the role of microRNAs in pancreatic ß-cell maturation and plasticity

Le diabète est une maladie chronique caractérisée par une élévation du taux de sucre dans le sang aussi appelé « glycémie » reflétant un état pathologique. L'élévation de la glycémie au long cours a des répercussions délétères sur nombreux de nos tissus et organes d'où l'apparition de complications sévères chez les sujets diabétiques pouvant atteindre les yeux, les reins, le système nerveux, le système cardiovasculaire et les membres inférieurs. La carence en une hormone essentielle à notre organisme, l'insuline, est au coeur du développement de la maladie. L'insuline induit la captation du glucose circulant dans le sang en excès suite à une prise alimentaire riche en glucides et favorise son utilisation et éventuellement son stockage dans les tissus tels que le foie, le tissu adipeux et les muscles. Ainsi, l'insuline est vitale pour réguler et maintenir stable notre niveau de glycémie. Les cellules bêta du pancréas sont les seules entités de notre corps capables de produire de l'insuline et une perte de fonctionnalité associée à leur destruction ont été mises en cause dans le processus pathologique du diabète de type 2. Cependant la pleine fonctionnalité et la maturation des cellules bêta n'apparaissent qu'après la naissance lorsque le pancréas en développement a atteint sa masse adulte définitive. Enfin, une fois la masse des cellules bêta définitive établie, leur nombre et volume restent relativement constants au cours de la vie adulte chez un sujet sain. Néanmoins, au cours de périodes critiques les besoins en insuline sont augmentés tel qu'observé chez les femmes enceintes et les personnes obèses qui ont une perte de sensibilité à l'insuline qui se traduit par la nécessité de sécréter plus d'insuline afin de maintenir une glycémie normale. Dans l'hypothèse où la compensation n'a pas lieu ou n'est pas aboutie, le diabète se développe. Le processus de maturation postnatale ainsi que les événements compensatoires sont donc des étapes essentielles et de nombreuses questions sont encore non résolues concernant l'identification des mécanismes les régulant. Parmi les acteurs potentiels figurent de petites molécules d'ARN découvertes récemment appelées microARNs et qui ont été rapidement suggérées très prometteuses dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans le cadre du diabète et d'autres pathologies. Les microARNs vont réguler l'expression de notre génome sans en modifier la séquence, phénomène également appelé épigénétique, ce qui résulte en des différences de comportement et de fonction cellulaires. Les microARNs sont donc susceptibles de jouer un rôle clé dans l'ensemble des processus biologiques et notre environnement associé à nos prédispositions génétiques peuvent grandement modifier leur niveau et donc leur action, qui à son tour se répercutera sur notre état physiologique. En effet nous avons identifié des changements de microARNs dans les cellules d'îlots pancréatiques de modèles animaux (rats et souris) associés à un état de résistance à l'insuline (grossesse et obésité). Par le biais d'expériences in vitro sur des cellules bêta extraites de rats et conservées en culture, nous avons pu analyser de plus près l'implication des microARNs dans la capacité des cellules bêta à sécréter de l'insuline mais aussi à se multiplier et à survivre au sein d'un environnement toxique. Ainsi, nous avons identifié des microARNs qui participent positivement à la compensation des cellules bêta, sous la direction d'hormones telles les estrogènes ou d'une hormone libérée par l'intestin au cours de la digestion (l'inerétine GLP1) et qui est largement utilisée comme agent thérapeutique dans la médication contre le diabète. Dans un second temps nous avons utilisé une stratégie similaire afin de déterminer le rôle de microARNs préalablement détectés comme étant changés au cours du développement postnatal des cellules bêta chez le rat. Cette étude a également mené à l'identification de microARNs participant à la maturation et à l'expansion de la masse des cellules bêta sous l'influence de la composition du régime alimentaire et des besoins en insuline adéquats qui en dépendent. Ces études apportent la vision de nouveaux mécanismes moléculaires impliquant les microARNs et démontrant leur importance pour le bon fonctionnement des cellules bêta et leur capacité d'adaptation à l'environnement. -- Les cellules bêta sont une composante des îlots pancréatiques de Langerhans et sont des cellules hautement différenciées qui ont l'unique capacité de sécréter de l'insuline sous l'influence des nutriments suite à une prise alimentaire. L'insuline facilite l'incorporation de glucose dans ses tissus cibles tels le foie, le tissu adipeux et les muscles. Bien que les besoins en insuline soient relativement constants au cours de la vie d'un individu sain, certaines conditions associées à un état de résistance à l'insuline, telles la grossesse ou l'obésité, requièrent une libération d'insuline majorée. En cas de résistance à l'insuline, une dysfonction des cellules bêta plus ou moins associée à leur mort cellulaire, conduisent à une sécrétion d'insuline insuffisante et au développement d'une hyperglycémie chronique, caractéristique du diabète de type 2. Jusqu'à présent, les mécanismes moléculaires sous- jacents à la compensation des cellules bêta ou encore menant à leur dysfonction restent peu connus. Découverts récemment, les petits ARNs non-codant appelés microARNs (miARNs), suscitent un intérêt grandissant de par leur potentiel thérapeutique pour la prise en charge et le traitement du diabète. Les miARNs sont de puissants régulateurs de l'expression génique qui lient directement le 3'UTR de leurs ARN messagers cibles afin d'inhiber leur traduction ou d'induire leur dégradation, ce qui leur permet de contrôler des fonctions biologiques multiples. Ainsi, nous avons pris pour hypothèse que les miARNs pourraient jouer un rôle essentiel en maintenant la fonction des cellules bêta et des processus compensatoires afin de prévenir le développement du diabète. Lors d'une première étude, une analyse transcriptomique a permis l'identification de miARNs différemment exprimés au sein d'îlots pancréatiques de rattes gestantes. Parmi eux, le miR-338-3p a démontré la capacité de promouvoir la prolifération et la survie des cellules bêta exposées à des acides gras saturés et des cytokines pro-inflammatoires, sans altérer leur propriété sécrétrice d'insuline. Nous avons également identifié deux hormones reconnues pour leurs propriétés bénéfiques pour la physiologie de la cellule bêta, l'estradiol et l'incrétine GLP1, qui régulent les niveaux du miR-338-3p. Ce miARN intègre parfaitement les voies de signalisation de ces deux hormones dépendantes de l'AMP cyclique, afin de contrôler l'expression de nombreux gènes conduisant à son action biologique. Dans un projet ultérieur, notre objectif était de déterminer la contribution de miARNs dans l'acquisition de l'identité fonctionnelle des cellules bêta en période postnatale. En effet, directement après la naissance les cellules bêta sont reconnues pour être encore immatures et incapables de sécréter de l'insuline spécifiquement en réponse à l'élévation de la glycémie. Au contraire, la réponse insulinique induite par les acides aminés ainsi que la biosynthèse d'insuline sont déjà fonctionnelles. Nos recherches ont permis de montrer que les changements de miARNs corrélés avec l'apparition du phénotype sécrétoire en réponse au glucose, sont régis par la composition nutritionnelle du régime alimentaire et des besoins en insuline qui en découlent. En parallèle, le taux de prolifération des cellules bêta est considérablement réduit. Les miARNs que nous avons étudiés coordonnent des changements d'expression de gènes clés impliqués dans l'acquisition de propriétés vitales de la cellule bêta et dans la maintenancé de son identité propre. Enfin, ces études ont permis de clairement démontrer l'importance des miARNs dans la régulation de la fonction des cellules bêta pancréatiques. -- Beta-cells are highly differentiated cells localized in the pancreatic islets and are characterized by the unique property of secreting insulin in response to nutrient stimulation after meal intake. Insulin is then in charge of facilitating glucose uptake by insulin target tissues such as liver, adipose tissue and muscles. Despite insulin needs stay more or less constant throughout life of healthy individuals, there are circumstances such as during pregnancy or obesity which are associated to insulin resistance, where insulin needs are increased. In this context, defects in beta-cell function, sometimes associated with beta-cell loss, may result in the release of inappropriate amounts of insulin leading to chronic hyperglycemia, properly defined as type 2 diabetes mellitus. So far, the mechanisms underlying beta- cell compensation as well as beta-cell failure remain to be established. The recently discovered small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) are emerging as interesting therapeutic targets and are bringing new hope for the treatment of diabetes. miRNAs display a massive potential in regulating gene expression by directly binding to the 3'UTR of messenger RNAs and by inhibiting their translation and/or stability, enabling them to modify a wide range of biological functions. In view of this, we hypothesized that miRNAs may play an essential role in preserving the functional beta-cell mass and permitting to fight against beta-cell exhaustion and decompensation that can lead to diabetes development. In a first study, global profiling in pancreatic islets of pregnant rats, a model of insulin resistance, led to the identification of a set of differentially expressed miRNAs. Among them, miR-338- 3p was found to promote beta-cell proliferation and survival upon exposure of islet cells to pro- apoptotic stimuli such as saturated fatty acids or pro-inflammatory cytokines, without impairment in their capacity to release insulin. We also discovered that miR-338-3p changes are driven by two hormones, the estradiol and the incretin GLP1, both well known for their beneficial impact on beta- cell physiology. Consistently, we found that miR-338-3p integrates the cAMP-dependent signaling pathways regulated by these two hormones in order to control the expression of numerous genes and execute its biological functions. In a second project, we aimed at determining whether miRNAs contribute to the acquisition of beta-cell identity. Indeed, we confirmed that right after birth beta-cells are still immature and are unable to secrete insulin specifically in response to elevated concentrations of glucose. In contrast, amino acid-stimulated insulin release as well as insulin biosynthesis are already fully functional. In parallel, newborn beta-cells are proliferating intensively within the expanding pancreas. Interestingly, we demonstrated that the miRNA changes and the subsequent acquisition of glucose responsiveness is influenced by the diet composition and the resulting insulin needs. At the same time, beta-cell proliferation declines. The miRNAs that we have identified orchestrate expression changes of essential genes involved in the acquisition of specific beta-cell properties and in the maintenance of a mature beta-cell identity. Altogether, these studies clearly demonstrate that miRNAs play important roles in the regulation of beta-cell function.