Cellular and molecular mechanisms underlying the effects of sleep loss on hippocampal synaptic plasticity

SUMMARY : The function of sleep for the organism is one of the most persistent and perplexing questions in biology. Current findings lead to the conclusion that sleep is primarily for the brain. In particular, a role for sleep in cognitive aspects of brain function is supported by behavioral evidence both in humans and animals. However, in spite of remarkable advancement in the understanding of the mechanisms underlying sleep generation and regulation, it has been proven difficult to determine the neurobiological mechanisms underlying the beneficial effect of sleep, and the detrimental impact of sleep loss, on learning and memory processes. In my thesis, I present results that lead to several critical steps forward in the link between sleep and cognitive function. My major result is the molecular identification and physiological analysis of a protein, the NR2A subunit of NMDA receptor (NMDAR), that confers sensitivity to sleep loss to the hippocampus, a brain structure classically involved in mnemonic processes. Specifically, I used a novel behavioral approach to achieve sleep deprivation in adult C57BL6/J mice, yet minimizing the impact of secondary factors associated with the procedure,.such as stress. By using in vitro electrophysiological analysis, I show, for the first time, that sleep loss dramatically affects bidirectional plasticity at CA3 to CA1 synapses in the hippocampus, a well established cellular model of learning and memory. 4-6 hours of sleep loss elevate the modification threshold for bidirectional synaptic plasticity (MT), thereby promoting long-term depression of CA3 to CA 1 synaptic strength after stimulation in the theta frequency range (5 Hz), and rendering long-term potentiation induction.more difficult. Remarkably, 3 hours of recovery sleep, after the deprivation, reset the MT at control values, thus re-establishing the normal proneness of synapses to undergo long-term plastic changes. At the molecular level, these functional changes are paralleled by a change in the NMDAR subunit composition. In particular, the expression of the NR2A subunit protein of NMDAR at CA3 to CA1 synapses is selectively and rapidly increased by sleep deprivation, whereas recovery sleep reset NR2A synaptic content to control levels. By using an array of genetic, pharmacological and computational approaches, I demonstrate here an obligatory role for NR2A-containing NMDARs in conveying the effect of sleep loss on CA3 to CAl MT. Moreover, I show that a genetic deletion of the NR2A subunit fully preserves hippocampal plasticity from the impact of sleep loss, whereas it does not alter sleepwake behavior and homeostatic response to sleep deprivation. As to the mechanism underlying the effects of the NR2A subunit on hippocampal synaptic plasticity, I show that the increased NR2A expression after sleep loss distinctly affects the contribution of synaptic and more slowly recruited NMDAR pools activated during plasticity-induction protocols. This study represents a major step forward in understanding the mechanistic basis underlying sleep's role for the brain. By showing that sleep and sleep loss affect neuronal plasticity by regulating the expression and function of a synaptic neurotransmitter receptor, I propose that an important aspect of sleep function could consist in maintaining and regulating protein redistribution and ion channel trafficking at central synapses. These findings provide a novel starting point for investigations into the connections between sleep and learning, and they may open novel ways for pharmacological control over hippocampal .function during periods of sleep restriction. RÉSUMÉ DU PROJET La fonction du sommeil pour l'organisme est une des questions les plus persistantes et difficiles dans la biologie. Les découvertes actuelles mènent à la conclusion que le sommeil est essentiel pour le cerveau. En particulier, le rôle du sommeil dans les aspects cognitifs est soutenu par des études comportementales tant chez les humains que chez les animaux. Cependant, malgré l'avancement remarquable dans la compréhension des mécanismes sous-tendant la génération et la régulation du sommeil, les mécanismes neurobiologiques qui pourraient expliquer l'effet favorable du sommeil sur l'apprentissage et la mémoire ne sont pas encore clairs. Dans ma thèse, je présente des résultats qui aident à clarifier le lien entre le sommeil et la fonction cognitive. Mon résultat le plus significatif est l'identification moléculaire et l'analyse physiologique d'une protéine, la sous-unité NR2A du récepteur NMDA, qui rend l'hippocampe sensible à la perte de sommeil. Dans cette étude, nous avons utilisé une nouvelle approche expérimentale qui nous a permis d'induire une privation de sommeil chez les souris C57BL6/J adultes, en minimisant l'impact de facteurs confondants comme, par exemple, le stress. En utilisant les techniques de l'électrophysiologie in vitro, j'ai démontré, pour la première fois, que la perte de sommeil est responsable d'affecter radicalement la plasticité bidirectionnelle au niveau des synapses CA3-CA1 de l'hippocampe. Cela correspond à un mécanisme cellulaire de l'apprentissage et de la mémoire bien établi. En particulier, 4-6 heures de privation de sommeil élèvent le seuil de modification pour la plasticité synaptique bidirectionnelle (SM). Comme conséquence, la dépression à long terme de la transmission synaptique est induite par la stimulation des fibres afférentes dans la bande de fréquences thêta (5 Hz), alors que la potentialisation à long terme devient plus difficile. D'autre part, 3 heures de sommeil de récupération sont suffisant pour rétablir le SM aux valeurs contrôles. Au niveau moléculaire, les changements de la plasticité synaptiques sont associés à une altération de la composition du récepteur NMDA. En particulier, l'expression synaptique de la protéine NR2A du récepteur NMDA est rapidement augmentée de manière sélective par la privation de sommeil, alors que le sommeil de récupération rétablit l'expression de la protéine au niveau contrôle. En utilisant des approches génétiques, pharmacologiques et computationnelles, j'ai démontré que les récepteurs NMDA qui expriment la sous-unité NR2A sont responsables de l'effet de la privation de sommeil sur le SM. De plus, nous avons prouvé qu'une délétion génétique de la sous-unité NR2A préserve complètement la plasticité synaptique hippocampale de l'impact de la perte de sommeil, alors que cette manipulation ne change pas les mécanismes de régulation homéostatique du sommeil. En ce qui concerne les mécanismes, j'ai .découvert que l'augmentation de l'expression de la sous-unité NR2A au niveau synaptique modifie les propriétés de la réponse du récepteur NMDA aux protocoles de stimulations utilisés pour induire la plasticité. Cette étude représente un pas en avant important dans la compréhension de la base mécaniste sous-tendant le rôle du sommeil pour le cerveau. En montrant que le sommeil et la perte de sommeil affectent la plasticité neuronale en régulant l'expression et la fonction d'un récepteur de la neurotransmission, je propose qu'un aspect important de la fonction du sommeil puisse être finalisé au règlement de la redistribution des protéines et du tracking des récepteurs aux synapses centraux. Ces découvertes fournissent un point de départ pour mieux comprendre les liens entre le sommeil et l'apprentissage, et d'ailleurs, ils peuvent ouvrir des voies pour des traitements pharmacologiques dans le .but de préserver la fonction hippocampale pendant les périodes de restriction de sommeil.

A model of cellular dosimetry for macroscopic tumors in radiopharmaceutical therapy.

PURPOSE: In the radiopharmaceutical therapy approach to the fight against cancer, in particular when it comes to translating laboratory results to the clinical setting, modeling has served as an invaluable tool for guidance and for understanding the processes operating at the cellular level and how these relate to macroscopic observables. Tumor control probability (TCP) is the dosimetric end point quantity of choice which relates to experimental and clinical data: it requires knowledge of individual cellular absorbed doses since it depends on the assessment of the treatment's ability to kill each and every cell. Macroscopic tumors, seen in both clinical and experimental studies, contain too many cells to be modeled individually in Monte Carlo simulation; yet, in particular for low ratios of decays to cells, a cell-based model that does not smooth away statistical considerations associated with low activity is a necessity. The authors present here an adaptation of the simple sphere-based model from which cellular level dosimetry for macroscopic tumors and their end point quantities, such as TCP, may be extrapolated more reliably. METHODS: Ten homogenous spheres representing tumors of different sizes were constructed in GEANT4. The radionuclide 131I was randomly allowed to decay for each model size and for seven different ratios of number of decays to number of cells, N(r): 1000, 500, 200, 100, 50, 20, and 10 decays per cell. The deposited energy was collected in radial bins and divided by the bin mass to obtain the average bin absorbed dose. To simulate a cellular model, the number of cells present in each bin was calculated and an absorbed dose attributed to each cell equal to the bin average absorbed dose with a randomly determined adjustment based on a Gaussian probability distribution with a width equal to the statistical uncertainty consistent with the ratio of decays to cells, i.e., equal to Nr-1/2. From dose volume histograms the surviving fraction of cells, equivalent uniform dose (EUD), and TCP for the different scenarios were calculated. Comparably sized spherical models containing individual spherical cells (15 microm diameter) in hexagonal lattices were constructed, and Monte Carlo simulations were executed for all the same previous scenarios. The dosimetric quantities were calculated and compared to the adjusted simple sphere model results. The model was then applied to the Bortezomib-induced enzyme-targeted radiotherapy (BETR) strategy of targeting Epstein-Barr virus (EBV)-expressing cancers. RESULTS: The TCP values were comparable to within 2% between the adjusted simple sphere and full cellular models. Additionally, models were generated for a nonuniform distribution of activity, and results were compared between the adjusted spherical and cellular models with similar comparability. The TCP values from the experimental macroscopic tumor results were consistent with the experimental observations for BETR-treated 1 g EBV-expressing lymphoma tumors in mice. CONCLUSIONS: The adjusted spherical model presented here provides more accurate TCP values than simple spheres, on par with full cellular Monte Carlo simulations while maintaining the simplicity of the simple sphere model. This model provides a basis for complementing and understanding laboratory and clinical results pertaining to radiopharmaceutical therapy.

De-hyping transmit diversity in modern MIMO cellular systems

A contemporary perspective on the tradeoff between transmit antenna diversity and spatial multi-plexing is provided. It is argued that, in the context of modern cellular systems and for the operating points of interest, transmission techniques that utilize all available spatial degrees of freedom for multiplexingoutperform techniques that explicitly sacrifice spatialmultiplexing for diversity. Reaching this conclusion, however, requires that the channel and some key system features be adequately modeled; failure to do so may bring about starkly different conclusions. As a specific example, this contrast is illustrated using the 3GPP Long-Term Evolution system design.

The endoplasmic reticulum: a sensor of cellular stress that modulates immune responses.

Many inflammatory and infectious diseases are characterized by the activation of signaling pathways steaming from the endoplasmic reticulum (ER). These pathways, primarily associated with loss of ER homeostasis, are emerging as key regulators of inflammation and infection. Recent advances shed light on the mechanisms linking ER-stress and immune responses.

The TPTE gene family: cellular expression, subcellular localization and alternative splicing.

The human TPTE (Transmembrane Phosphatase with TEnsin homology) gene family encodes a PTEN-related tyrosine phosphatase with four potential transmembrane domains. Chromosomal mapping revealed multiple copies of the TPTE gene on chromosomes 13, 15, 21, 22 and Y. Human chromosomes 13 and 21 copies encode two functional proteins, TPIP (TPTE and PTEN homologous Inositol lipid Phosphatase) and TPTE, respectively, whereas only one copy of the gene exists in the mouse genome. In the present study, we show that TPTE and TPIP proteins are expressed in secondary spermatocytes and/or prespermatids. In addition, we report the existence of several novel alternatively spliced isoforms of these two proteins with variable number of transmembrane domains. The latter has no influence on the subcellular localization of these different peptides as shown by co-immunofluorescence experiments. Finally, we identify another expressed TPTE copy, mapping to human chromosome 22, whose transcription appears to be under the control of the LTR of human endogenous retrovirus RTVL-H3.

A tumor-specific cellular environment at the brain invasion border of adamantinomatous craniopharyngiomas.

Craniopharyngiomas (CP) are benign epithelial tumors of the sellar region and can be clinicopathologically distinguished into adamantinomatous (adaCP) and papillary (papCP) variants. Both subtypes are classified according to the World Health Organization grade I, but their irregular digitate brain infiltration makes any complete surgical resection difficult to obtain. Herein, we characterized the cellular interface between the tumor and the surrounding brain tissue in 48 CP (41 adaCP and seven papCP) compared to non-neuroepithelial tumors, i.e., 12 cavernous hemangiomas, 10 meningiomas, and 14 metastases using antibodies directed against glial fibrillary acid protein (GFAP), vimentin, nestin, microtubule-associated protein 2 (MAP2) splice variants, and tenascin-C. We identified a specific cell population characterized by the coexpression of nestin, MAP2, and GFAP within the invasion niche of the adamantinomatous subtype. This was especially prominent along the finger-like protrusions. A similar population of presumably astroglial precursors was not visible in other lesions under study, which characterize them as distinct histopathological feature of adaCP. Furthermore, the outer tumor cell layer of adaCP showed a distinct expression of MAP2, a novel finding helpful in the differential diagnosis of epithelial tumors in the sellar region. Our data support the hypothesis that adaCP, unlike other non-neuroepithelial tumors of the central nervous system, create a tumor-specific cellular environment at the tumor-brain junction. Whether this facilitates the characteristic infiltrative growth pattern or is the consequence of an activated Wnt signaling pathway, detectable in 90% of these tumors, will need further consideration.

Modulation of the airway allergic response : characterization of the cellular and molecular mechanisms

ABSTRACT Allergic asthma is a major complication of atopy. Its severity correlates with the presence of activated T lymphocytes and eosinophils in the bronchoalveolar lavage fluid (BALF). Mechanisms that protect against asthma are poorly understood. Based on oral models of mucosal tolerance induction, models using the nasal route showed that uptake of important amounts of antigen can induce tolerance and reverse the allergic phenotype. 1L-10 producing regulatory T cells were proposed as key players in tolerance induction, but other players, e.g. dendritic cells (DC), B cells and epithelial cells may have to be taken into consideration. The objective of the present study is to characterize the effects of a therapeutic intranasal treatment (INT) in a murine model of asthma and to determine, in this model, the cellular and molecular mechanisms leading to protection against asthma. First, we established an asthma model by sensitizing the BALB/c mouse to ovalbumin (OVA) by two intraperitoneal injections of alum-adsorbed OVA and three inhalations of aerosolized OVA. Then OVA was applied to the nasal mucosa of OVA- sensitized mice. Mice were later re-exposed to OVA aerosols to assess the protection induced by OVA INT. OVA sensitization induced strong eosinophil recruitment, OVA-specific T cell proliferation and IgE production. Three intranasal treatments at 24-hour intervals with 1.5 mg OVA drastically reduced inflammatory cell recruitment into the BALF and inhibited OVA-specific IgE production upon allergen re-exposure. T cell proliferation in ex vivo bronchial lymph node (BLN) cells was inhibited, as well as TH2 cytokine production. Protection against OVA-induced bronchial inflammation was effective for an extended period of time and treated mice resisted a second re-exposure. Transfer of CD4+ cells from BLN and lungs of OVA-treated mice protected asthmatic recipient mice from subsequent aerosol challenge indicating an involvement of CD4+ T regulatory cells in this protection. RESUME L'asthme allergique est une manifestation clinique majeure de l'atopie. La sévérité de l'asthme est liée à la présence de lymphocytes T activés ainsi que d'éosinophiles dans le lavage broncho-alvéolaire (LBA). Les mécanismes permettant de se prémunir contre l'asthme sont mal connus. Basés sur des modèles muqueux d'induction de tolérance par la voie orale, des modèles utilisant la voie nasale ont montré que d'importantes quantités d'antigène peuvent induire une tolérance et ainsi reverser le phénotype allergique. Des cellules régulatrices produisant de l'IL-10 pourraient jouer un rôle clé dans l'induction de la tolérance mais d'autres acteurs tels que les cellules dendritiques, les cellules B et les cellules épithéliales doivent aussi être prises en compte. L'objectif de la présente étude est de caractériser les effets d'un traitement intranasal thérapeutique dans un modèle murin d'asthme et de déterminer dans ce modèle les mécanismes cellulaires et moléculaires conférant une protection contre l'asthme. En premier lieu, un modèle d'asthme allergique a été établi en sensibilisant des souris BALB/c à l'ovalbumine (OVA) par deux injections intraperitonéales d'OVA adsorbé sur de l'alum et trois séances d'OVA en aérosol. Dans un second temps, de l'OVA a été administrée sur la muqueuse nasale des souris sensibilisées à l'OVA. Les souris furent ensuite challengées par des aérosols d'OVA afin d'évaluer la protection conférée par le traitement intranasal à l'OVA. La sensibilisation à l'OVA a induit un fort recrutement d'éosinophiles, une réponse proliférative des cellules T à l'OVA ainsi qu'une production d'lgE spécifiques. Trois traitements intranasaux à 24 heures d'intervalle avec 1.5 mg d'OVA ont permis de réduire drastiquement le recrutement des cellules inflammatoires dans le LBA ainsi que d'inhiber la production d'lgE spécifiques à l'OVA produits lors d'une ré-exposition à l'OVA. La prolifération en réponse à l'OVA de cellules extraites ex vivo de ganglions bronchiques a, elle aussi, été inhibée de même que la production de cytokines TH2. La protection contre l'inflammation provoquée par l'aérosol est efficace pour une longue période et les souris traitées résistent à une seconde ré- exposition. Le transfert de cellules CD4+ issues de ganglions bronchiques et de poumons de souris traitées à l'OVA protège les souris asthmatiques receveuses contre les effets inflammatoires d'un aérosol, indiquant que des cellules T CD4+ régulatrices pourraient être impliquées dans cette protection. RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC L'asthme est une affection des voies respiratoires qui se caractérise par une contraction de la musculature des voies aériennes, une production de mucus et d'anticorps de l'allergie (IgE). On parle d'asthme allergique lorsque les facteurs déclenchant l'asthme sont des allergènes inhalés tels que acariens, pollens ou poils d'animaux. Le système immunitaire des patients asthmatiques a un défaut de programmation qui le rend réactif à des substances qui sont normalement inoffensives. Le traitement actuel de l'asthme repose sur le soulagement des symptômes grâce à des produits à base de stéroïdes. Les techniques permettant de reprogrammer le système immunitaire (immunothérapie) ne sont pas efficaces pour tous les antigènes et prennent beaucoup de temps. En conséquence, il est nécessaire de mieux comprendre les mécanismes sous-tendant une telle reprogrammation afin d'en améliorer le rendement et l'efficacité. Dans ce but, des modèles d'immunothérapie ont été mis au point chez la souris. Ils permettent une plus grande liberté d'investigation. Dans cette étude, un modèle d'asthme allergique dans la souris a été établi par une sensibilisation à un antigène particulier : l'ovalbumine (OVA). Ce modèle présente les caractéristiques principales de l'asthme humain : recrutement de cellules inflammatoires dans les poumons, augmentation de la production d'anticorps et de la résistance des bronches aux flux respiratoires. Cette souris asthmatique a ensuite été traitée par application nasale d'OVA. Comparées aux souris non traitées, les souris traitées à l'OVA ont moins de cellules inflammatoires dans leurs poumons et produisent moins d'anticorps IgE. D'autres marqueurs inflammatoires sont aussi fortement diminués. Des cellules de poumons ou de ganglions bronchiques prélevées sur des souris traitées injectées dans des souris asthmatiques améliorent les symptômes de l'asthme. Ces cellules pourraient donc avoir un rôle régulateur dans l'asthme. Les caractériser et les étudier afin d'être capable de les générer est crucial pour les futures thérapies de l'asthme.

Pharmacokinetic and pharmacogenetic factors influencing plasma and cellular antiretroviral drug disposition

Abstract: The improvement in antiretroviral drug therapy has transformed HIV infection into a chronic disease. However, treatment failure and drug toxicity are frequent. Inadequate response to treatment is clearly multifactorial and, therefore, dosage individualisation based on demographic factors, genetic markers and measurement of cellular and plasma drug level may enhance both drug efficacy and tolerability. At present, antiretroviral drugs levels are monitored in plasma, whereas only drugs penetrating into cells are able to exert an antiviral activity, suggesting that cellular drug determination may more confidently reflect drug exposure at the site of pharmacological action. The overall objective of this thesis is to provide a better understanding of the Pharmacokinetic and pharmacogenetic factors influencing the plasma and cellular disposition of antiretroviral drugs. To that endeavour, analytical methods for the measurements of plasma and cellular drug levels have been developed and validated using liquid chromatography methods coupled with ultraviolet and tandem mass spectrometry detection, respectively. Correlations between plasma and cellular exposures were assessed during observational and experimental studies. Cytochrome (CYP) 2B6, efflux transporters (ABCB1, ABCC1, ABCC2 and ABCG2) and orosomucoid (ORM) polymorphisms were determined and were related to plasma and cellular exposures, as well as toxicity of antiretroviral drugs. A Pharmacokinetic population model was developed to characterise inter- and intra-patient variability of atazanavir pharmacokinetics, and to identify covariates influencing drug disposition. In that context, a Pharmacokinetic interaction study between atazanavir and lopinavir, both boosted with ritonavir, has beén conducted to assess the safety and pharmacokinetics of this boosted double-protease inhibitors regimen. Well to moderately-correlated cellular and plasma drug levels are .observed or protease inhibitors, whereas for efavirenz and nevirapine these correlations are weak. Cellular exposure, and CYP2B6 genotype (516G>T) are predictors of efavirenz neuropsychological toxicity. Nevirapine plasma exposure is also influenced by CYPZB6 polymorphism. Nelfinavir cellular exposure appears to be significantly associated only with ABCB1 genotype (3435C>T and intron 26 + 80T>C). Indinavir and lopinavir clearance and lopinavir cellular/plasma exposure ratio are influenced by the concentration of the variant S of ORM, suggesting-a specific binding of these drugs to this variant. Nelfinavir and efavirenz are not influenced by ORM concentration and phenotype. The Pharmacokinetic parameters of atazanavir are adequately described by our population model. The atazanavir-lopinavir interaction study indicates no influence on plasma and cellular atazanavir pharmacokinetics, while limited decrease in lopinavir concentrations was observed after atazanavir addition. The residual variability unexplained by the considered variables suggests that other covariates either uncontrolled at present or remaining to be identified, such as genetic and environmental factors influence antiretroviral drug pharmacokinetics, with substantial impact on treatment efficacy and tolerability. In that context, a comprehensive approach taking into account drug pharmacokinetics and patient genetic background is expected to contribute to increase treatment success, and to reduce the occurrence of adverse drug reactions by stratifying patients in an individualised antiretroviral therapy approach. Résumé Facteurs pharmacocinétiques et pharmacogénétiques influençant l'exposition plasmatique et cellulaire des antirétroviraux Les progrès de la thérapie antirétrovirale ont transformé l'infection par le VIH d'une affection mortelle à une maladie chronique. En dépit de ce succès, l'échec thérapeutique et la toxicité médicamenteuse restent fréquents. Une réponse inadéquate au traitement est clairement multifactorielle et une individualisation de la posologie des médicaments qui se baserait sur les facteurs démographiques et génétiques des patients et sur les taux sanguins des médicaments pourrait améliorer à la fois l'efficacité et la tolérance de la thérapie. Par ailleurs, seules les concentrations plasmatiques sont actuellement considérées pour le suivi thérapeutique des médicaments, alors que les taux cellulaires pourraient mieux refléter l'activité de ses médicaments qui agissent au niveau intracellulaire. L'objectif global de cette thèse était de mieux comprendre les facteurs pharmacocinétiques et pharmacocénétiques influençant l'exposition plasmatique et cellulaire des médicaments antirétroviraux. A cet effet, des méthodes pour quantifier les concentrations plasmatiques et cellulaires des antirétroviraux ont été développées et validées en utilisant la chromatographie liquide couplée à la détection ultraviolette et la spectrométrie de masse en tandem, respectivement. La corrélation entre l'exposition cellulaire et plasmatique de ces médicaments a été étudiée lors d'études observationnelles et expérimentales. Les polymorphismes du cytochrome (CYP) 2B6, ainsi que des transporteurs d'efflux (ABCB1, ABCC1, ABCC2 et ABCG2) et de l'orosomucoïde (ORM) ont été déterminés et corrélés avec l'exposition plasmatique et cellulaire des antirétroviraux, ainsi qu'à leur toxicité. Un modèle de pharmacocinétique de population a été établi afin de caractériser la variabilité inter- et intra-individuelle de l'atazanavir, et d'identifier les covariables pouvant influencer le devenir de ce médicament. Dans ce contexte, une étude d'interaction entre l'atazanavir et le lopinavir a été effectuée afin de déterminer la sécurité et le profil pharmacocinétique de ce régime thérapeutique. Des corrélations modérées à bonnes ont été observées entre les taux cellulaires et plasmatiques des inhibiteurs de protéase, alors que pour l'efavirenz et la névirapine ces corrélations sont faibles. L'exposition cellulaire, ainsi que le génotype du CYP2B6 (516G>T) sont des indices de la toxicité neuropsychologique de l'efavirenz. L'exposition plasmatique de la névirapine est également influencée par le polymorphisme du CYPZB6. L'exposition cellulaire du nelfinavir est significativement associée au génotype du ABCB1 (3435C>T et intron 26 + 80T>C). La clairance de l'indinavir et du lopinavir, ainsi que le rapport entre exposition cellulaire et plasmatique du lopinavir sont influencés par la concentration du variant S de l'ORM, suggérant une liaison spécifique de ces médicaments à ce variant. La clairance du nelfinavir et de l'efavirenz n'est pas influencée ni par la concentration ni par le phénotype de l'ORM. Les paramètres pharmacocinétiques de l'atazanavir ont été décrits de façon adéquate par le modèle de population proposé. De plus, le lopinavir n'influence pas les concentrations plasmatiques et cellulaires de l'atazanavir; alors que celui-ci conduit à une baisse limitée des taux de lopinavir. L'importante variabilité pharmacocinétique des antirétroviraux suggère que d'autres facteurs génétiques et environnementaux -qui restent encore à découvrir- influencent également leur disponibilité. Dans un proche futur, une prise en charge qui tienne. compte de la pharmacocinétique des médicaments et des caractéristiques génétiques du patient devrait permettre d'individualiser le traitement, contribuant certainement à une amélioration de la réponse thérapeutique et à une diminution de la toxicité. Résumé grand public Facteurs pharmacocinétiques et pharmacogénétiques influençant l'exposition plasmatique et cellulaire des antirétroviraux Les progrès effectués dans le traitement de l'infection par le virus de l'immunodéficience humaine acquise (VIH), ont permis de transformer une maladie avec un pronostic sombre, en une maladie chronique traitable avec des médicaments de plus en plus efficaces. Malgré ce succès, de nombreux patients ne répondent pas de façon optimale à leur traitement et/ou souffrent d'effets indésirables médicamenteux entraînant fréquemment une modification de leur thérapie. Actuellement, le suivi de la réponse au traitement s'effectue par la mesure chez les patients de la quantité de virus et du nombre des cellules immunitaires dans le sang, ainsi que par la concentration sanguine des médicaments administrés. Cependant, comme le virus se réplique à l'intérieur de la cellule, la mesure des concentrations médicamenteuses au niveau intracellulaire pourrait mieux refléter l'activité pharmacologique au site d'action. De plus, il a été possible de mettre en évidence la grande variabilité des concentrations plasmatiques de médicaments chez des patients prenant pourtant la même dose de médicament. Comme cette variabilité est notamment due à des facteurs génétiques qui sont susceptibles d'influencer la réponse au traitement antirétroviral, des analyses génétiques ont été également effectuées chez ces patients. Cette thèse a eu pour objectif de mieux comprendre les facteurs pharmacologiques et génétiques influençant l'activité et la toxicité des médicaments antirétroviraux afin de réduire la variabilité de la réponse thérapeutique. A cet effet, une méthode de dosage permettant la quantification des médicaments anti-HIV au niveau intracellulaire a été développée. Par ailleurs, nos études ont également porté .sur les variations génétiques influençant la quantité et l'activité des protéines impliquées dans le métabolisme et dans le transport des médicaments antirétroviraux. Enfin, les conséquences de ces variations sur la réponse clinique et la toxicité du traitement ont été évaluées. Nos études ont mis en évidence des associations significatives entre les variations génétiques considérées et la concentration sanguine, cellulaire et la toxicité de quelques médicaments antirétroviraux. La complémentarité des connaissances pharmacologiques, génétiques et virales pourrait aboutir à une stratégie globale permettant d'individualiser le traitement et la dose administrée, en fonction des caractéristiques propres de chaque patient. Cette approche pourrait contribuer à une optimisation du traitement antirétroviral dans la perspective d'une meilleure- efficacité thérapeutique à long terme et d'une diminution des effets indésirables rencontrés.

Estudi de la influència de substàncies en la proliferació cel·lular: el·laboració d'un cultiu cel·lular

 Treball de recerca realitzat per un alumne d’ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l’any 2010. L’objectiu principal d'aquest treball de recerca és estudiar la manera com diverses substàncies afecten el creixement cel•lular in vitro. La hipòtesi principal és que algunes substàncies poden tenir un important efecte en el desenvolupament de les cèl•lules, perquè les substàncies modifiquen l'adherència de les cèl•lules a la placa de cultiu. Concretament, en aquest treball s'ha estudiat la possible influència de la poliornitina, el col•lagen i la polilisina en el creixement cel•lular in vitro de cèl•lules PC12 (cèl•lules tumorals de ronyó de rata) i 293 (cèl•lules embrionàries de ronyó humà). Per dur a terme aquest estudi és necessari utilitzar material de laboratori d'un nivell tècnic que sobrepassa els equipaments dels laboratoris dels Centres de Secundària. La cambra de flux laminar, per a poder manipular els cultius de manera estèril, incubadors cel•lulars estèrils i el microscopi invertit són equipaments imprescindibles per a poder treballar amb cultius cel•lulars. El Departament de Bioquímica de la Facultat de Medicina i Infermeria (Universitat de Lleida) ha posat a disposició de l'autor tots aquest equipaments i ha participat directament en la acció tutelar d'aquest estudi. Els resultats d'aquesta recerca han permès confirmar les hipòtesis principals que inicialment s'havien plantejat. S'ha constatat que les substàncies utilitzades tenen efectivament un influència decisiva en el creixement de les cèl•lules estudiades. Inicialment les substàncies utilitzades han afavorit el creixement cel•lular in vitro, exceptuant la polilisina, que ha resultat tòxica per a les cèl•lules 293. Ara bé, si el cultiu sobrecreix i la població sobrepassa un determinat llindar, les cèl•lules inicien la mort per apoptosi.

Cellular distribution of glucose and monocarboxylate transporters in human brain white matter and multiple sclerosis lesions.

To ensure efficient energy supply to the high demanding brain, nutrients are transported into brain cells via specific glucose (GLUT) and monocarboxylate transporters (MCT). Mitochondrial dysfunction and altered glucose metabolism are thought to play an important role in the progression of neurodegenerative diseases, including multiple sclerosis (MS). Here, we investigated the cellular localization of key GLUT and MCT proteins in human brain tissue of non-neurological controls and MS patients. We show that in control brain tissue GLUT and MCT proteins were abundantly expressed in a variety of central nervous system cells, particularly in microglia and endothelial cells. In active MS lesions, GLUTs and MCTs were highly expressed in infiltrating leukocytes and reactive astrocytes. Astrocytes manifest increased MCT1 staining and maintain GLUT expression in inactive lesions, whereas demyelinated axons exhibit significantly reduced GLUT3 and MCT2 immunoreactivity in inactive lesions. Finally, we demonstrated that the co-transcription factor peroxisome proliferator-activated receptor gamma co-activator 1-alpha (PGC-1α), an important protein involved in energy metabolism, is highly expressed in reactive astrocytes in active MS lesions. Overexpression of PGC-1α in astrocyte-like cells resulted in increased production of several GLUT and MCT proteins. In conclusion, we provide for the first time a comprehensive overview of key nutrient transporters in white matter brain samples. Moreover, our data demonstrate an altered expression of these nutrient transporters in MS brain tissue, including a marked reduction of axonal GLUT3 and MCT2 expression in chronic lesions, which may impede efficient nutrient supply to the hypoxic demyelinated axons thereby contributing to the ongoing neurodegeneration in MS. GLIA 2014;62:1125-1141.

Molecular and cellular analysis of genodermatoses

Summary Skin is the essential interface between our body and its environment; not only does it prevent water loss and protect us from external insults it also plays an essential role in the central nervous system acting as a major sense organ primarily for touch and pain. The main cell type present in skin, keratinocyte, undergoes a differentiation process leading to the formation of this protecting barrier. This work is intended to contribute to the understanding of how keratinocyte differentiates and skin functions. To do this, we studied two genetic skin diseases: Erythrokeratodermia variabilis and Mal de Meleda. Our approach was to examine the expression and localization of proteins implicated in these two pathologies in normal and diseased tissues and to determine the influence of mutant proteins at the molecular and cellular levels. Connexins are major components of gap junctions, channels allowing direct communication between cells. Our laboratory has identified mutations in both connexin 30.3 (Cx30.3) and 31 (Cx31) to be causally involved in erythrokeratodermia variabilis (EKV), an autosomal dominant disorder of keratinization. In the first chapter, we show a new mutation of Cx31, L209P-Cx31, in 3 EKV patients, extending the field of EKV-causing mutations although the mechanism by which connexin mutations lead to the disease is unclear. In the second chapter, we studied the effect of F137L-Cx30.3 on expression, trafficking and localization of cotransfected Cx31 and Cx30.3 in connexin-deficient HeLa cells. The F137 amino acid, highly conserved in connexin family, is oriented towards the channel pore and F137L mutation in either Cx30.3 or Cx31 lead to EKV. As two genes can lead to EKV when mutated, our hypothesis was that Cx31 and Cx30.3 might cooperate at a molecular level. We were able to demonstrate a physical interaction between Cx31 and Cx30.3. The presence of F137L-Cx30.3 disturbed the trafficking of both connexins, less connexins were integrated into gap junctions and thus, the coupling between cell was diminished. Connexins formed in the presence of F137L-Cx30.3 are degraded at their exit from the endoplasmic reticulum. In conclusion, our results indicate that the genetic heterogeneity of EKV is due to mutations in two interacting proteins. F137L-Cx30.3 has a dominant negative effect and affects Cx31, disturbing cellular communication in epidermal cells. Mal de Meleda is an autosomal recessive inflammatory and a keratotic palmoplantar skin disorder due to mutations in SLURP1 (secreted LY6/PLAUR-related protein 1). SLURP1 belongs to the LY6/PLAUR family of proteins and has the particularity of being secreted instead of being GPI-anchored. The high degree of structural similarity between SLURP1 and the three fingers motif of snake neurotoxins and LYNX 1-C suggests that this protein could interact with the neuronal acetylcholine receptors. In the third chapter, we show that SLURP1 potentiates responses of the a7 nicotinic acetylcholine receptor (nAchR) to acetylcholine. These results identify SLURP1 as a secreted epidermal neuromodulator that is likely to be essential for palmoplantar skin. In the fourth chapter, we show that SLURP1 is expressed in the granular layer of the epidermis but is absent from skin biopsies of Mal de Meleda patients. SLURP1 is also present in secretions such as sweat, tears or saliva. An in vitro analysis on two mutant of SLURP-I demonstrates that W15R-SLURP1 is absent in cells while G86R-SLURP1 is expressed and secreted, suggesting that SLURP1 can lead to the disease by either an absent or an abnormal protein. Finally, in the fifth chapter, we analyse the expression and biological properties of other LY6/PLAUR members, clustered around SLURP] on chromosome 8. Their GPI-anchored or secreted status were analysed in vitro. SLURP1, LYNX1-A and -B are secreted while LYPDC2 and LYNX 1-C are GPI anchored. Three of these proteins are expressed in the epidermis and in cultured keratinocytes. These results suggest that these LY6/PLAUR members may have an important role in skin homeostasis. Résumé Résumé La peau est la barrière essentielle entre notre corps et l'environnement, nous protégeant des agressions extérieures, de la déshydratation et assurant aussi un rôle dans le système nerveux central en tant qu'organe du toucher et de la douleur. Le principal type de cellules présent dans la peau est le kératinocyte qui suit un processus de différenciation aboutissant à la formation de cette barrière protectrice. Ce travail est destiné à comprendre la différenciation des kératinocytes et le fonctionnement de la peau. Pour cela, nous avons étudié deux maladies génodermatoses : l'Erthrokeratodermia Variabilis (EKV) et le Mal de Meleda. Nous avons examiné l'expression et la localisation des protéines impliquées dans ces deux pathologies dans des tissus normaux et malades puis déterminé l'influence des protéines mutantes aux niveaux moléculaires et cellulaires. Les connexines (Cx) sont les composants majeurs des jonctions communicantes, canaux permettant la communication directe entre les cellules. Notre laboratoire a identifié des mutations dans les Cx30.3 et Cx31 comme responsables de l'EKV, génodermatose de transmission autosomique dominante. Dans le ler chapitre, nous décrivons une nouvelle mutation de Cx31, L209-Cx31, et contribuons à l'établissement du catalogue des mutations de Cx31 entraînant cette maladie. Cependant, le mécanisme par lequel les mutations de Cx31 et C3x0.3 provoquent l'EKV est inconnu. Dans le 2ème chapitre, nous étudions les effets de la mutation F137L-Cx30.3 sur l'expression, le trafic et la localisation des Cx31 et Cx30.3 transfectées dans des cellules HeLa, déficientes en connexines. Comme deux gènes peuvent causer une EKV quand ils sont mutés, notre hypothèse était que Cx31 et Cx30.3 pourraient coopérer au niveau moléculaire. Nous avons montré l'existence d'une interaction physique entre ces deux connexines. La présence de la mutation F137L-Cx30.3 perturbe le trafic des deux connexines, moins de connexines sont intégrées dans les jonctions communicantes et donc le couplage entre les cellules est diminué. Les connexons formés en présence de cette mutation sont dégradés à leur sortie du réticulum endoplasmique. En conclusion, nos résultats indiquent que l'hétérogénéité génétique de EKV est due à des mutations dans deux protéines qui interagissent. F137L-Cx30.3 a un effet dominant négatif et affecte Cx31, perturbant la communication entre les cellules épidermiques. Le Mal de Meleda est une maladie récessive de la peau palmoplantaire due à des mutations dans SLURP1. SLURP1 appartient à la famille des protéines contenant un domaine LY6/PLAUR et a la particularité d'être sécrétée. La grande homologie de structure existant entre SLURP1, les neurotoxines de serpent et LYNX1-C suggère que la protéine pourrait interagir avec des récepteurs à acétylcholine (Ach). Dans le 3ème chapitre, nous montrons que SLURP1 module la réponse à l'Ach du récepteur nicotinique α7. Ces résultats identifient SLURP1 comme un neuromodulateur épidermique sécrété, probablement essentiel pour la peau palmoplantaire. Dans le 4ème chapitre, nous montrons que SLURP1 est exprimé dans la couche granuleuse de l'épiderme et qu'il est absent des biopsies des patients. SLURP1 a aussi été détecté dans des sécrétions telles que la sueur, les lamies et la salive. Une analyse in vitro de deux mutants de SLURP1 a montré que W15R-SLURP1 est absent des cellules tandis que G86R-SLURP1 est exprimé et sécrété, suggérant qu'une absence ou une anomalie de SLURP1 peuvent causer la maladie. Finalement, dans le 5ème chapitre, nous analysons l'expression et les propriétés biologiques d'autres membres de la famille LY6/PLAUR localisés autour de SLURP1 sur le chromosome 8. Leur statut de protéines sécrétées ou liées à la membrane par une ancre GPI est analysé in vitro. SLURP1, LYNXI-A et -B sont sécrétées alors que LYPDC2 et LYNX1-C sont liés à la membrane. Trois de ces protéines sont exprimées dans l'épiderme et dans des kératinocytes cultivés. Ces résultats suggèrent que la famille LY6/PLAUR pourrait avoir un rôle important dans l'homéostasie de la peau.

ZNRD1 (zinc ribbon domain-containing 1) is a host cellular factor that influences HIV-1 replication and disease progression.

BACKGROUND: Human immunodeficiency virus (HIV) takes advantage of multiple host proteins to support its own replication. The gene ZNRD1 (zinc ribbon domain-containing 1) has been identified as encoding a potential host factor that influenced disease progression in HIV-positive individuals in a genomewide association study and also significantly affected HIV replication in a large-scale in vitro short interfering RNA (siRNA) screen. Genes and polymorphisms identified by large-scale analysis need to be followed up by means of functional assays and resequencing efforts to more precisely map causal genes. METHODS: Genotyping and ZNRD1 gene resequencing for 208 HIV-positive subjects (119 who experienced long-term nonprogression [LTNP] and 89 who experienced normal disease progression) was done by either TaqMan genotyping assays or direct sequencing. Genetic association analysis was performed with the SNPassoc package and Haploview software. siRNA and short hairpin RNA (shRNA) specifically targeting ZNRD1 were used to transiently or stably down-regulate ZNRD1 expression in both lymphoid and nonlymphoid cells. Cells were infected with X4 and R5 HIV strains, and efficiency of infection was assessed by reporter gene assay or p24 assay. RESULTS: Genetic association analysis found a strong statistically significant correlation with the LTNP phenotype (single-nucleotide polymorphism rs1048412; [Formula: see text]), independently of HLA-A10 influence. siRNA-based functional analysis showed that ZNRD1 down-regulation by siRNA or shRNA impaired HIV-1 replication at the transcription level in both lymphoid and nonlymphoid cells. CONCLUSION: Genetic association analysis unequivocally identified ZNRD1 as an independent marker of LTNP to AIDS. Moreover, in vitro experiments pointed to viral transcription as the inhibited step. Thus, our data strongly suggest that ZNRD1 is a host cellular factor that influences HIV-1 replication and disease progression in HIV-positive individuals.

Equine herpesvirus protein E10 induces membrane recruitment and phosphorylation of its cellular homologue, bcl-10.

v-E10, a caspase recruitment domain (CARD)-containing gene product of equine herpesvirus 2, is the viral homologue of the bcl-10 protein whose gene was found to be translocated in mucosa-associated lymphoid tissue (MALT) lymphomas. v-E10 efficiently activates the c-jun NH(2)-terminal kinase (JNK), p38 stress kinase, and the nuclear factor (NF)-kappaB transcriptional pathway and interacts with its cellular homologue, bcl-10, via a CARD-mediated interaction. Here we demonstrate that v-E10 contains a COOH-terminal geranylgeranylation consensus site which is responsible for its plasma membrane localization. Expression of v-E10 induces hyperphosphorylation and redistribution of bcl-10 from the cytoplasm to the plasma membrane, a process which is dependent on the intactness of the v-E10 CARD motif. Both membrane localization and a functional CARD motif are important for v-E10-mediated NF-kappaB induction, but not for JNK activation, which instead requires a functional v-E10 binding site for tumor necrosis factor receptor-associated factor (TRAF)6. Moreover, v-E10-induced NF-kappaB activation is inhibited by a dominant negative version of the bcl-10 binding protein TRAF1, suggesting that v-E10-induced membrane recruitment of cellular bcl-10 induces constitutive TRAF-mediated NF-kappaB activation.

Orosomucoid (alpha1-acid glycoprotein) plasma concentration and genetic variants: effects on human immunodeficiency virus protease inhibitor clearance and cellular accumulation.

BACKGROUND AND OBJECTIVE: Protease inhibitors are highly bound to orosomucoid (ORM) (alpha1-acid glycoprotein), an acute-phase plasma protein encoded by 2 polymorphic genes, which may modulate their disposition. Our objective was to determine the influence of ORM concentration and phenotype on indinavir, lopinavir, and nelfinavir apparent clearance (CL(app)) and cellular accumulation. Efavirenz, mainly bound to albumin, was included as a control drug. METHODS: Plasma and cells samples were collected from 434 human immunodeficiency virus-infected patients. Total plasma and cellular drug concentrations and ORM concentrations and phenotypes were determined. RESULTS: Indinavir CL(app) was strongly influenced by ORM concentration (n = 36) (r2 = 0.47 [P = .00004]), particularly in the presence of ritonavir (r2 = 0.54 [P = .004]). Lopinavir CL(app) was weakly influenced by ORM concentration (n = 81) (r2 = 0.18 [P = .0001]). For both drugs, the ORM1 S variant concentration mainly explained this influence (r2 = 0.55 [P = .00004] and r2 = 0.23 [P = .0002], respectively). Indinavir CL(app) was significantly higher in F1F1 individuals than in F1S and SS patients (41.3, 23.4, and 10.3 L/h [P = .0004] without ritonavir and 21.1, 13.2, and 10.1 L/h [P = .05] with ritonavir, respectively). Lopinavir cellular exposure was not influenced by ORM abundance and phenotype. Finally, ORM concentration or phenotype did not influence nelfinavir (n = 153) or efavirenz (n = 198) pharmacokinetics. CONCLUSION: ORM concentration and phenotype modulate indinavir pharmacokinetics and, to a lesser extent, lopinavir pharmacokinetics but without influencing their cellular exposure. This confounding influence of ORM should be taken into account for appropriate interpretation of therapeutic drug monitoring results. Further studies are needed to investigate whether the measure of unbound drug plasma concentration gives more meaningful information than total drug concentration for indinavir and lopinavir.