Study of the mechanisms regulating the proliferative potential of human CD8+T lymphocytes over-expressing telomerase reverse transcriptase (hTERT)

Résumé La plupart des cellules issues du sang ont une durée de vie limitée. Dans les cellules somatiques humaines, y incluant les lymphocytes T, la taille des télomères diminue progressivement à chaque division cellulaire, pouvant aboutir à des instabilités chromosomiques. L'expression ectopique du gène de la transcriptase réverse de la télomérase (hTERT) dans les cellules restaure l'activité de la télomérase, et permet un rallongement de leur vie réplicative. Malgré l'absence de signes caractéristiques de transformation, nous ne savons pas encore si les cellules somatiques qui surexpriment hTERT sont physiologiquement indiscernables des cellules normales. Certaines études récentes proposent que la télomérase joue plusieurs rôles additionnels dans d'autres phénomènes biologiques tels que la réparation de l'ADN, la survie et la croissance des cellules. Dans notre étude, nous avons utilisé des clones issus de lymphocytes T cytotoxiques surexprimant la télomérase afin d'étudier les mécanismes moléculaires qui règlent leur prolifération et leur sénescence. Nous avons montré que les «jeunes » cellules T exprimant ou non hTERT révèlent des taux de croissance identiques suite à des réponses de stimulation induites par des mitogènes. De plus, aucun changement global dans leur expression des gènes n'a pu être mis en évidence. Curieusement, nous avons observé des réponses réduites dans la prolifération des cellules transduites avec la télomérase qui présentaient une élongation des télomères et une durée de vie prolongée. Ces cellules, malgré le maintien d'un niveau élevé de l'expression de gènes impliqués dans la progression du cycle cellulaire, ont également montré une expression accrue de plusieurs gènes trouvés en commun avec nos lymphocytes T vieillissants n'exprimant pas de télomérase. En particulier, les cellules ayant une durée de vie prolongée grâce à l'expression de la télomérase accumulaient également certains inhibiteurs du cycle cellulaire tels que p16Ink4a et p21Cip1, associés à l'arrêt de la croissance cellulaire. En résumé, nos résultats indiquent la présence fonctionnelle de mécanismes alternatifs pouvant contrôler la croissance réplicative de ces cellules; ils sont donc encourageants dans l'optique d'une utilisation à moindre risque de lymphocytes T «immortalisés » à des fins thérapeutiques pour traiter les tumeurs malignes ou les infections. Summary Most mature blood cells have a finite life span. In human somatic cells, including T lymphocytes, telomeres progressively shorten with each cell division eventually leading to chromosomal instability. Ectopic expression of the human telomerase reverse transcriptase (hTERT) gene in cells restores telomerase activity and results in the extension of their replicative life span. Despite lack of transformation characteristics, it is yet unknown whether somatic cells that over-express telomerase are biologically and physiologically indistinguishable from normal cells. Recent data suggest that telomerase might mediate additional functions in DNA repair, cell survival and cell growth. Using CD8+ T lymphocyte clones over-expressing telomerase we investigated the molecular mechanisms that regulate T cell proliferation and senescence. Here we show that early-passage T cell clones transduced or not with hTERT displayed identical growth rates upon mitogenic stimulation and no marked global changes in gene expression. Surprisingly, reduced proliferative responses were observed in hTERT-transduced cells with elongated telomeres and extended life span. These cells, despite maintaining high expression level of genes involved in cell cycle division and progression, also showed increased expression of several genes associated with normal aging T lymphocytes. In particular, late passage T cells over-expressing telomerase accumulated the cyclin-dependent inhibitors p16INK4a and p21CIP1 that have largely been associated with in vitro growth arrest. Whether tumor-reactive CD8+ T cells that ectopically express telomerase could now be used for adoptive transfer therapy in cancer patients remains unclear at this point. Nevertheless, our results regarding the safe and effective use of hTERT-transduced lymphocytes are encouraging, since they indicate that alternative growth arrest mechanisms such as p 16 and p21 are still functional in these cells and regulate to some extend their growth potential.

ARE PPARS NOVEL THERAPEUTIC TARGETS TO IMPROVE MELANOMA TREATMENT ?

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

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.

Courbe d'apprentissage lors de la réalisation des DALKs (Deep Anterior Lamellar Keratoplasty) : pièges et complications lors de nos 20 premières procédures

Objectif Analyser les résultats, les complications et les pièges rencontrés lors de la période d'apprentissage de la technique de la DALK avec réalisation d'une Big Bubble . Matériels et Méthodes : Étude rétrospective de 20 DALKs réalisées entre 2006 et 2007. L'âge moyen était de 45.21 ans (18 à 76). Le groupe comprenait 7 hommes et 13 femmes. Les indications opératoires étaient : kératocône (n=15), leucome herpétique (n=3) et taie cornéenne post-abcès bactérien (n=2). Le suivi comprenait la MAVC pré et post-opératoire, la réfraction post-opératoire, la transparence de la greffe, la qualité de l'interface donneur/receveur, et l'analyse des complications per et post-opératoires. Résultats Parmi les 20 DALKs, 8 cas ont été transformés en kératoplastie perforante à cause d'une perforation per-opératoire de la membrane de Descemet (40 % des cas). Le suivi moyen était de 7.77 mois. Les meilleures acuités visuelles corrigées moyennes pré et post-opératoires étaient de 0.158 (0.02 à 0.4) et 0.4357 (0.25 à 0.6) pour les DALKs et de 0.125 (0.1 à 0.3) et 0.463 (0.02 à 0.8) pour les DALKs transformées en kératoplastie perforante. Les greffes étaient transparentes dans tous les cas. Dans 3 cas, des plis de l'interface ont constitués une gêne de la qualité visuelle (di ou triplopie). Un haze de l'interface a été observé dans 5 cas avec disparition progressive lors du suivi. Discussion La DALK est une technique efficace dans le traitement des atteintes stromales profondes de la cornée, elle permet de préserver l'endothélium du donneur qui est sain dans ce type de pathologie. Conclusion La réalisation de la Big Bubble lors de la dissection de la Descemet et la qualité de l'interface donneur/receveur demeurent les éléments clés d'une telle procédure. Cette technique opératoire est probablement une des techniques les plus difficiles qu'un chirurgien de la cornée ait à maîtriser.

Biology and pathogenicity of "Waddlia chondrophila"

Abstract This thesis investigates the pathogenicity of a Chlamydia-related bacterium: Waddlia chondrophila, which is suspected to cause abortion in bovines as well as miscarriages in humans. Macrophages represent the first line of defense of the innate immunity against invading pathogens, we thus studied the interaction between W. chondrophila and human macrophages. We observed that W. chondrophila multiplied very efficiently inside monocyte-derived macrophages. Diagnostic tools to detect obligate intracellular bacteria are lacking so we developed a Waddlia specific real-time PCR based on the 16S rRNA encoding gene. Since W. chondrophila could be involved in human miscarriage, we analyzed samples from women having miscarriage or uneventful pregnancy. Waddlia serologies results confirmed an association between the presence of W. chondrophila antibodies and miscarriage (23.2% versus 14.6% in the control group, p-value 0.044). As W. chondrophila's pathogenicity was suggested, we studied its antibiotic susceptibility. W. chondrophila revealed to be susceptible to macrolides and tetracylines but resistant to beta-lactams and fluoroquinolones. This resistance to fluoroquinolones could be explained by mutations in the quinolone resistance determining region of the gyrase (GyrA) and topoisomerase IV (ParC) encoding genes. In conclusion, this thesis allowed to precise the role of W. chondrophila in human miscarriage. However, more studies will be necessary to fully understand the pathogenesis of W. chondrophila in adverse pregnancy outcomes. Résumé Le but de cette thèse a été d'étudier la pathogénicité d'une bactérie apparentée aux Chlamydia: Waddlia chondrophila. Les macrophages représentant la première ligne de défense du système immunitaire inné contre les pathogènes, nous avons d'abord étudié l'interaction entre W. chondrophila and les macrophages humains. Nous avons pu observer que W. chondrophila résistait aux effecteurs microbicides des macrophages et se multipliait efficacement au sein de ces cellules. Au vu du manque d'outils diagnostiques pour détecter cette bactérie intracellulaire obligatoire, nous avons également développé une PCR en temps réel, spécifique pour Waddlia, basée sur le gène de l'ARN ribosomal 16S. Cette PCR a été utilisée dans les différents projets afin de détecter la présence de W. chondrophila. W. chondrophila étant suspectée de pouvoir causer des fausses couches chez la femme, nous avons analysé des échantillons provenant de femmes ayant souffert de fausse couche, ainsi que, comme contrôles, des femmes ayant eu une grossesse normale. Les sérologies ont révélé une association entre la présence d'anticorps dirigés contre Waddlia et la fausse couche (23.2% versus 14.6% chez les contrôles, p-value=0.044). La présence de la bactérie a aussi été détectée par PCR et immunohistochimie dans plusieurs échantillons. L'implication de W. chondrophila dans la fausse couche se précisant, nous avons étudié sa susceptibilité aux antibiotiques. W. chondrophila s'est révélée sensible aux macrolides et aux tetracyclines mais résistante aux beta-lactames et aux quinolones. Cette résistance aux quinolones peut être expliquée par la présence de mutations dans le QRDR (région déterminant la résistance aux quinolones) des gènes gyrA et parC. En conclusion, cette thèse a permis de préciser l'implication de W. chondrophila dans la fausse couche. Des études complémentaires seront cependant nécessaires pour confirmer et préciser le rôle exact de W. chondrophila dans les problèmes obstétricaux.

Lats2, a novel regulator of Elongin BC ubiquitin ligase

Résumé : Le Large tumor suppressor, Lats2, est une protéine humaine homologue au suppresseur de tumeur Warts (Lats) de Drosophila melanogaster, qui réprime la prolifération des cellules en altérant leur cycle au niveau des transitions Gl/S et G2/M, et en induisant l'apoptose. Pourtant, la voie moléculaire par laquelle Lats2, une sériase-thréonine kinase, déclenche l'arrêt du cycle cellulaire, est toujours inconnue. Notre équipe a d'abord déterminé que Lats2 était un gène de réponse à la protéine p53 (Kostic et al., 2000). Par la suite, nous avons identifié des protéines interagissant avec Lats2, notamment les modules de reconnaissance du substrat des ligases Colline E3 (des protéines contenant Socs box ou F box) ainsi que deux Bous-unités du Signalosome CSN: CSN4 et CSNS. En outre, Lats2 est connue pour s'associer au Super-complexe composé de CSN et des ligases Colline E3 (Rongere, thesis, 2004; Rongere, unpublished results, 2005). Le travail présenté ici sur Lats2 a confirmé que cette protéine est une kinase associée à CSN. Nous avons caractérisé les interactions spécifiques de domaines de Lats2 avec hSocs3, hWsb 1 (des protéines Socs box) et hFBX-7 (une protéine F box), ainsi que les conséquences physiologiques des interactions avec hSocs3, hWsb1 et hSocs1. Des expériences de GST pull-down ont montré que les deux domaines, N-terminal et kinase, de Lats2 interagissent avec hSocs3, hWsb1 et hFBX-7, ce qui suggère aussi que l'ensemble de la protéine Lats2 est impliqué dans ces interactions. Une étude approfondie des interactions entre Lats2 et hSocs3 indique que le domaine kinase de Lats2 interagit avec la région de hSocs3 contenant un domaine SH2, situé en amont du domaine Socs box de hSocs3. Par ailleurs, Lats2 phosphoryle des régions spécifiques entre les domaines N-terminal et SH2 (Sl), et, entre les domaines SH2 et Socs box (S3) de la protéine hSocs3. Ces résultats révèlent que hSocs3 est un.nouveau substrat de Lats2. Des modifications de l'activité kinase ont aussi révélé que la protéine sauvage Lats2 (wt Lats2) était capable de phosphoryler hSocs3, alors qu'un mutant dead du domaine kinase Lats (poche ATP délétée, Lats2OATP) non. L'analyse des mutations a permis d'identifier deux résidus sériase situés aux positions 1441145 (S3), spécifiquement phosphorylés par wt Lats2. La phosphorylation des protéines représentant un signal de dégradation protéolytique, nous avons envisagé que Lats2 pouvait cibler hSocs3 pour une dégradation protéasomale. Lorsque wt Lats2 est surexprimée dans des cellules HEK293T et COS7, la demi-vie de hSocs3, un élément de la ligase Elongine BC-Colline É3 (ligase EBC), diminue significativement, effet que n'a pas la surexpression de Lats2OATP. De plus, la stabilité de hSocs3 dépend de la phosphorylation des résidus sériase aux positions 144/145 par wt Lats2. Bien que les sites de phosphorylation ne soient pas définis pour les deux autres modules de reconnaissance du substrat de la ligase EBC: hWsb 1 et hSocsl, leurs demi-vies diminuent également quand wt Lats2 est surexprimée. Pour les tests in vivo, nous avons synthétisé des esiRNA pour diminuer l'expression du gène endogène lats2, ce qui a entraîné une augmentation d'un facteur 2 de la demi-vie de hSocs3 et de hWsbl dans les cellules HEK293T. En conclusion, nos résultats suggérent que Lats2, une kinase associée au CSN, est un nouveau régulateur de la fonction des ligases EBC, agissant sur le renouvellement des protéines hSocs3, hSocs1 et hWsb1. Ainsi, Lats2 altère la spécificité et la capacité des ligases EBC, régulant par là même la stabilité de nombreuses protéines, ciblées par les ligases EBC pour une dégradation protéasomale. D'autres études devraient révéler si la modification observée de la fonction de la ligase EBC par Lats2, associée au Super-complexe, est également responsable du renouvellement des régulateurs du cycle cellulaire et des changements dans ce même cycle observés lors de la surexpression de Lats2. Summary : The Large tumor suppressor 2 (Lats2) is a human homologue of the Drosophila melanogaster tumor suppressor Warts (Cats) who negatively regulates cell proliferation by altering cell cycle Gl/S and G2/M transition and inducing apoptosis. However, the molecular pathway by which Lats2, a serine-threonine kinase, mediates cell cycle arrest is still unknown. Lats2 was initially identified to be a p53 response gene by our group (Kostic et al., 2000). Subsequently, our group identified interacting candidates of Lats2, including substrate recognition modules of Cullin-based E3 ligases (Socs box or F-box containing proteins) as well as two subunits of the Signalosome (CSN), CSN4 and CSNS. Additionally, Lats2 was shown to associate with a Super-complex, composed of CSN and Cullin-based E3 ligases (Rongere, thesis, 2004; Rongere, unpublished results, 2005) We hypothesized that Lats2 may perform its physiological function through interaction with CSN and Cullin-based E3 ligases. The present work on Lats2 has confirmed that Lats2 is a CSN associated kinase. We defined the domain specific interactions of Lats2 with hSocs3, hWsb1 (Sots box proteins) and hFBX-7 (F box protein), as well as the physiological consequences of interaction with hSocs3, hWsb1 and hSocs1. Both the N-terminal and the kinase domains of Lats2 interact with full-length hSocs3, hWsb1 and hFBX-7, determined in GST pull-down assays suggesting that full-length Lats2 protein is involved in interactions. Refinement of the Lats2 interaction with hSocs3 indicated that the kinase domain of Lats2 interacts with a region of hSocs3 containing a SH2 domain located upstream of the Socs box domain of the hSocs3. Moreover, Lats2 phosphorylated specific regions between the N-terminal and SH2 domain (S l) as well as between the SH2 domain and Socs box domain of hSocs3 (S3).These results indicate that hSocs3 is a novel Lats2 substrate. The kinase assay has also demonstrated that wt Lats2 was able to phosphorylate hSocs3, but not Lats2 kinase dead mutant (deleted ATP pocket, Lats20ATP). Mutational analysis identified two serine residues located at positions 144/145 (S3) to be specifically phosphorylated by wt Lats2. Phosphorylation of proteins has been shown to be a signal for proteolytic degradation of many characterized proteins. Thus we hypothesized that Lats2 could target hSocs3 for proteasomal degradation. When wt Lats2 was over-expressed in HEK293T cells and COST cells, the half-life of hSocs3, as a component of Elongin BC Cullin-based E3 ubiquitin ligase (EBC ligase), decreased significantly. In contrast, aver-expression of the Lats2OATP did not alter the half-life of hSocs3. Furthermore, the stability of hSocs3 depended on phosphorylation of serine residues at positions 144/145 by wt Lats2. Although the sites of phosphorylation were not defined for two other substrate recognition modules of EBC ligasehWsbl and hSocsl, their half-lives also decreased when wt Lats2 was over-expressed. To test in vivo, we synthesized esiRNA to knock-down endogenous Lats2 and subsequently we measured the half-lives of hSocs3 and hVVsb l . Here we demonstrated that the half-lives of hSocs3 and hWsbl were increased by the factor of two in Lats2-depleted HEK293T cells. In conclusion, our findings suggest that Lats2, a CSN associated kinase, is a novel regulator of EBC ligase function by regulating the turn-over of hSocs3, hSocs1 and hWsb1. Thus, Lats2 alters the specificity and capacity of EBC ligases regulating thereby the stability of numerous proteins which are targeted by EBC ligases for proteasomal degradation. Further studies should reveal whether the observed modulation of EBC ligase function by Lats2 associated with a Super-complex is also responsible for the turn-over of cell cycle regulators and the observed alteration in cell cycle by Lats2 over-expression.

Paroxysmal Extreme Pain Disorder (PEPD): clinical and genetic investigation

Objectifs 1) Caractériser une famille avec PEPD aux plans clinique, généalogique et génétique. 2) Identifier la cause génétique de la maladie dans cette famille, et en démontrer la pathogénicité. Introduction Le "Paroxysmal Extreme Pain Disorder " (PEPD) est une maladie génétique de transmission autosomique dominante caractérisée par des douleurs paroxystiques rectales, oculaires, maxillaires ou dans les membres inférieurs, qui peuvent être accompagnées d'un érythème. Les épisodes sont déclenchés par le contact cutané, les traumatismes mineurs et l'exposition au chaud. Leur intensité est telle qu'elle en est invalidante. PEPD est causé par des mutations du gène SCN9A, qui code pour la sous-unité alpha du canal sodique Nav1.7. Ce canal est distribué dans des cellules nerveuses périphériques appelées "nocicepteurs" qui sont impliquées dans la transmission du signal lié à la douleur. Méthode et Résultats Résultats Cliniques La partie clinique s'est déroulée à l'aide d'interviews structurées par visite directe, entretiens téléphoniques ou par correspondance. L'anamnèse, les données généalogiques et l'examen clinique ont été étudiés de façon extensive et tabulée. Résultats Génétiques Suite à l'identification de la mutation, un génotypage a été effectué à l'aide de techniques standards, afin de démontrer la co-ségrégation de la mutation avec la maladie. En outre, un groupe contrôle de 92 sujets suisses sans maladie connue ont été génotypés pour exclure la possibilité d'un polymorphisme rare. Grâce aux techniques de PCR et de séquençage, nous avons pu démontrer la présence d'une nouvelle mutation hétérozygote dans l'exon 27 du gène SCN9A, ce dernier étant impliqué dans plusieurs maladies dont PEPD. Cette mutation est codante, et conduit à un changement d'acide aminé dans le canal sodique Nav1.7 (mutation p.L1612P). Conclusions L'étude démontre la présence d'une nouvelle mutation du gène SCN9A permettant d'expliquer les symptômes décrits dans la famille investiguée. En effet, le groupe contrôle et tous les individus non symptomatiques de la famille n'ont pas la mutation, ce qui soutient fortement sa pathogénicité. En outre, il s'agit d'une mutation codante non-synonyme, localisée à proximité d'autres mutations causales précédemment étudiées au plan électrophysiologique.

Study of a sialyltransferase ST3GAL6, in adipogenesis and obesity

RésuméL'obésité et les maladies métaboliques qui lui sont associées tels que le diabète ou les maladies cardiovasculaires ont un impact épidémiologique croissant. Ainsi, les mécanismes moléculaires se produisant dans le tissu adipeux en expansion font l'objet de nombreuses investigations. Dans ce contexte, nous nous sommes particulièrement intéressés à l'adipogénèse, le procédé permettant la formation d'adipocytes matures et fonctionnels. Le gène St3gal6 code pour une enzyme appelée β-galactosidase a2,3-sialyltransferase 6 et participant à la voie de glycosylation. Cette protéine appartient à la famille des a2,3- sialyltransferases dont la fonction principale est de transférer un acide sialique à l'extrémité de chaînes glycosidiques présentes sur les glycoprotéines et les glycolipides. Dans une précédente étude de transcriptomique réalisée chez la souris, St3gal6 a été décrit comme un gène dont l'expression est augmentée dans le tissu adipeux blanc d'animaux en surpoids et dont l'expression est normalisée après une perte de poids. Afin d'étudier le rôle potentiel de St3gal6 dans le développement du tissu adipeux, nous nous sommes intéressés à la régulation de son expression en cas d'obésité ainsi qu'à ses effets sur l'adipogénèse. Nous avons d'abord montré que St3gal6 s'exprime aussi bien dans le tissu adipeux blanc que dans le tissu adipeux brun. Puis nous avons confirmé dans deux différents modèles animaux que l'expression de St3gal6 dans le tissu adipeux était augmentée en cas d'obésité. Nous avons aussi observé in vitro une induction de St3gal6 dans des adipocytes traités par des cytokines pro-inflammatoires sécrétées dans le tissu adipeux d'individus obèses. Enfin, parmi les six membres que compte la famille des a2,3-sialyltransferases, St3gal6 est celui dont l'expression est la plus significativement induite en situation d'obésité. En outre, au cours de la différenciation des adipocytes blancs et bruns, l'expression de St3gal6 est augmentée et son inhibition réduit le potentiel de maturation des adipocytes qui accumulent moins de lipides. A l'inverse, la surexpression de St3gal6 dans des préadipocytes blancs augmente leur taux de différenciation in vitro; la formation de gouttelettes lipidiques et l'expression de genes spécifiques de l'adipocyte mature sont accrues. Enfin, le traitement d'adipocytes blancs in vitro avec un inhibiteur pharmacologique des a2,3-sialyltransferases ou une sialidase clivant les résidus sialylés montre qu'un défaut de a2,3-sialylation affectant les adipocytes diminue leur potentiel adipogénique. Par conséquent, ces résultats suggèrent que St3gal6 est impliqué dans la voie de différenciation des adipocytes et que cette a2,3-sialylation joue un rôle dans le remodelage du tissu adipeux induit par l'obésité.AbstractIn order to better understand molecular events occurring in obesity and leading to its associated complications, we were interested in the biology of adipose tissue and particularly in the study of adipogenesis, the process by which new mature adipocytes develop and accumulate lipids.The β-galactosidase a2,3-sialyltransferase 6 (St3gal6) gene encodes for an enzyme involved in post-translational protein glycosylation. Thereby, St3gal6 enzyme belongs to the a2,3sialyltransferase family whose function is to add sialic acids at outer position on glycosidic chain of glycoproteins or glycolipids. Previously, in mouse, St3gal6 has been described as a gene whose expression in white adipose tissue is increased in overweighted animals and normalized after weight loss. Therefore, we have assumed that St3gal6 may play a role in adipose tissue development and in tissue remodelling triggered by obesity. First we show that St3gal6 is expressed in white but also in brown adipose tissue. St3gal6 upregulation upon weight gain was confirmed in two mouse models of obesity namely diet- induced and genetically-induced obesity. We also report that St3gal6 is induced by pro¬inflammatory cytokines known to be oversecreted in adipose tissue during obesity. Furthermore, St3gal6 is the a2,3-sialyltransferase whose expression is more markedly induced in adipose tissue. In addition, we demonstrate that St3gl6 expression is progressively increased in late stages of white and brown adipogenesis while St3gal6 knockdown inhibits adipocyte differentiation in vitro. Conversely, St3gal6 overexpression in a white preadipocyte cell line increases lipid accumulation during differentiation process and enhances gene expression of mature white adipocyte markers. Finally, using an a2-3 sialyltransferase inhibitor and a sialidase treatment on white adipocyte cell line, we observe that a decreased a2,3-sialylation impairs adipocyte differentiation in vitro. Altogether, these result suggest that St3gal6 plays a role in adipogenesis and in tissue remodelling associated with obesity likely through its enzymatic activity of a2,3-sialylation. Thus, a2,3-sialylation appears as a novel pathway of interest whose precise molecular mechanisms remain to be elucidated in the context of adipose tissue development and adipocyte functions.

IRF6 is a mediator of the Notch pro-differentiation and tumour suppressive function in keratinocytes

I. Résumé large publicIRF6 est un médiateur de Notch dans la différenciation des kératinocytes et dans sa fonction de suppresseur de tumeursLa peau est l'organe le plus important du corps humain, elle représente chez l'adulte une surface d'environ 1,5 m2 et elle est composée de 2000 milliards de cellules. La peau est composée de plusieurs types cellulaires dont les kératinocvtes. Ces cellules, qui se trouvent dans la couche la plus externe de la peau (Pépiderme), nous protègent de la déshydratation et des agressions externes telles que les infections et rayons ultraviolets. Cette fonction de « barrière » est mise en place grâce à un processus appelé différenciation des kératinocvtes durant lequel les kératinocytes deviennent matures et finalement meurent pour former la couche cornée la plus externe difficilement pénétrable. L'homéostasie tissulaire est un mécanisme qui régule l'équilibre entre prolifération, différentiation et mort cellulaire. Une perturbation de cet équilibre peut mener à la formation d'une tumeur. Il existe différents types de tumeurs de la peau. Nous nous sommes intéressés aux «carcinomes spino-cellulaires» (SCC) qui se développent à partir des keratinocytes en différenciation. Notch est une molécule impliquée positivement dans la différenciation des kératinocytes et joue un rôle prépondérant dans la suppression des tumeurs kératinocytaires comme les SCC dans lesquelles Notch est faiblement exprimé. L'implication de Notch dans la différenciation et dans la carcinogenèse kératinocytaire n'est plus controversée, mais les mécanismes qui sont à la base de ces fonctions restent encore à élucider. IRfF6 est une protéine qui, d'après sa structure, a été classée parmi une famille de régulateurs de la défense de l'organisme (IRFs). Des études ultérieures ont montré qu'IRf 6 n'a pas de rôle dans la réponse immunitaire mais qu'il est plutôt impliqué dans le développement de l'épiderme. Dans ce travail, nous avons établi que, dans les kératinocytes, l'expression d'IPJF6 est contrôlé par Notch et que, comme pour ce dernier, elle est réduite dans les SCCs. De plus, nous avons observé qu'IRF6 régule les mêmes gènes que Notch, et qu'il est en effet un médiateur de la fonction de Notch dans la différenciation des kératinocytes. Parmi les gènes contrôlés par l'axe Notch-IRF6 il y en a trois qui sont sur-exprimés dans les SCCs et qui sont réprimés par cet axe. Il s'agit d'une part d'IRF3 et IRF7, deux autres membres de la famille IRF, et du récepteur EGFR (Epidermal growth factor receptor), un oncogène (un gène impliqué dans l'accélération de la formation de tumeurs). Dans leur ensemble, ces découvertes nous informent sur les mécanismes impliqués dans les fonctions pro-differentiatrice et tumeur suppressive de Notch. Plus encore, elles ouvrent des perspectives intéressantes quant au développement de nouvelles approches thérapeutiques dans le traitement des cancers.II. RésuméLa voie de signalisation de Notch joue un rôle très important dans la différenciation cellulaire et dans la carcinogenèse de nombreux tissus. Dans les kératinocytes, elle agit comme suppresseur de tumeurs, fonction altérée dans les cancers spino cellulaires SCC (tumeurs kératinocytaires) de part la perte d'expression de Notch.Bien que les fonctions pro-différenciatrice et tumeur-suppressive de la voie de signalisation de Notch soient aujourd'hui reconnues, les mécanismes sous-jacents restent à explorer.Dans ce travail, nous montrons qu'IRF6, un membre de la famille des régulateurs de la voie de l'interféron (IRF), ne possédant pas de rôles dans la réponse immunitaire mais essentiel dans le développement de l'épiderme, est d'autant plus exprimé que le kératinocytes sont différenciées alors que son expression est drastiquement diminuée dans les SCC. De façon intéressante, l'expression d'IRF6 durant la différenciation kératinocytaire est directement contrôlée par Notch.Dans les kératinocytes l'expression accrue d'IRP6 a les mêmes effets que 1'activation de la voie de Notch induisant les marqueurs de différentiation des couches supra-basales de l'épiderme et inhibant ceux de la couche basale impliqués dans la prolifération cellulaire. Cependant IRF6 n'est pas impliqué dans la régulation d'autres cibles de Notch, comme p21WAFI/CiP' et Hesl. Comme Notch, IRF6 contrôle négativement l'expression de EGFR et IRF3/7. De ce fait EGFR et IRF3 et IRF7 sont fortement exprimés dans les SCCs humaines où l'expression de Notch et IRF6 est fortement réduite.En conclusion, nous avons démontré qu'IRF6 est une cible directe de Notch/CSL dans les keratinocytes qui medie les effets "non-canonique" de cette voie de signalisation dans la différentiation et dans la suppression tumorale.III. SummaryThe Notch pathway is an important regulator of differentiation and carcinogenesis. In keratinocytes it acts as tumour suppressor and the Notch gene is markedly reduced in keratinocyte-derived squamous cell carcinoma (SCC). While the pro-differentiation and tumour suppressive functions of Notch signalling in keratinocytes are well established, the underlying mechanisms are still poorly understood, We report here that Interferon Regulatory Factor 6 (IRF6), an IRF family member with an essential role in epidermal development, is downmodulated in SCC and is induced in differentiating cells. We observed that the induction of IRF6 in differentiating keratinocytes is suppressed by Notch inhibition. IRF6 expression is also decreased in mice with keratinocyte-specific deletion of the Notch 1/2.Moreover we show that the expression of this gene is induced by Notch activation through a CSL-dependent mechanism even under conditions of protein synthesis inhibition, with endogenous Notch 1 binding to the IRF6 promoter.Increased IRJF6 expression is necessary for the impact of Notch activation on differentiation markers K1 and Involucrin, and proliferation markers integrins and p63, but not on other "canonical" Notch targets like p21WAF1/Cipl, Hes1 and Hey1. Like Notch 1, IRF6 down-modulates expression of epidermal growth factor receptor (EGFR) as well as two other IRF family members, IRF3 and 7, which we previously linked to positive control of p63 expression. Expression of IRF3, IRF7 and EGFR is enhanced in cutaneous squamous cell carcinomas, illustrating a strikingly opposite pattern compared to Notch and IRF6.Thus, IRF6 is a primary Notch target in keratinocytes, which mediates the effects of this pathway on differentiation and contributes to tumor suppression.

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.

Chromosomal rearrangement and genetic structure in the shrews of the Sorex araneus group

ABSTRACT The role of chromosomal rearrangements in the speciation process is much debated and many theoretical models have been developed. The shrews of the Sorex araneus group offer extraordinary opportunities to study the relationship between chromosomal variation and speciation. Indeed, this group of morphologically very similar species received a great deal of attention due to its karyotypic variability, which is mainly attributed to Robertsonian fusions. To explore the impact of karyotypic changes on genetic differentiation, we first studied the relationship between genetic and karyotypic structure among Alpine species and among chromosome races of the S. araneus group using Bayesian admixture analyses. The results of these analyses confirmed the taxonomic status of the studied species even though introgression can still be detected between species. Moreover, the strong spatial sub-structure highlighted the role of historical factors (e.g. geographical isolation) on genetic structure. Next, we studied gene flow at the chromosome level to address the question of the impact of chromosomal rearrangements on genetic differentiation. We used flow sorted chromosomes from three different karyotypic taxa of the S. araneus group to map microsatellite markers at the chromosóme arm level. We have been able to map 24 markers and to show that the karyotypic organisation of these taxa is well conserved, which suggests that these markers can be used for further inter-taxa studies. A general prediction of chromosomal speciation models is that genetic differentiation between two taxa should be larger across rearranged chromosomes than across chromosomes common to both taxa. We combined two approaches using mapped microsatellites to test this prediction. First, we studied the genetic differentiation among five shrew taxa placed at different evolutionary levels (i.e. within and among species). In this large scale study, we detected an overall significant difference in genetic structure between rearranged vs. common chromosomes. Moreover, this effect varied among pairwise comparisons, which allowed us to differentiate the role of the karyotypic complexity of hybrids and of the evolutionary divergence between taxa. Secondly, we compared the levels of gene flow measured across common vs. rearranged chromosomes in two karyotypically different hybrid zones (strong vs. low complexity of hybrids), which show similar levels of genetic structure. We detected a significantly stronger genetic structure across rearranged chromosomes in the hybrid zone showing the highest level of hybrid complexity. The large variance observed among loci suggested that other factors, such as the position of markers within the chromosome, also certainly affects genetic structure. In conclusion, our results strongly support the role of chromosomal rearrangements in the reproductive barrier and suggest their importance in speciation process of the S. araneus group. RESUME Le rôle des réarrangements chromosomiques dans les processus de spéciation est fortement débattu et de nombreux modèles théoriques ont été développés sur le sujet. Les musaraignes du groupe Sorex araneus présentent de nombreuses opportunités pour étudier les relations entre les variations chromosomiques et la spéciation. En effet, ce groupe d'espèces morphologiquement très proches a attiré l'attention des chercheurs en raison de sa variabilité caryotypique principalement attribuée à des fusions Robertsoniennes. Pour explorer l'impact des changements caryotypiques sur la différenciation génétique, nous avons tout d'abord étudié les relations entre la structure génétique et caryotypique de races chromosomiques et d'espèces alpine du groupe S. araneus en utilisant des analyses Bayesiennes d' « admixture ». Les résultats de ces analyses ont confirmé le statut taxonomique des espèces étudiées bien que nous ayons détecté de l'introgression entre espèces. L'observation d'une sous structure spatiale relativement forte souligne l'importance des facteurs historiques (telle que l'isolation géographique) sur la structure génétique de ce groupe. Ensuite, nous avons étudié le flux de gène au niveau des chromosomes pour aborder de manière directe la question de l'impact des réarrangements chromosomiques sur la différenciation génétique. En conséquence, nous avons utilisé des tris de chromosomes de trois taxons du groupe S. araneus pour localiser des marqueurs microsatellites au niveau du bras chromosomique. Au cours de cette étude, nous avons pu localiser 24 marqueurs et montrer une forte conservation dans l'organisation du caryotype de ces taxa. Ce résultat suggère que leur utilisation est appropriée pour des études entre taxa. Une prédiction générale à tous les modèles de spéciation chromosomique correspond à la plus grande différenciation génétique des chromosomes réarrangés que des chromosomes communs. Nous avons combiné deux approches utilisant des microsatellites localisés au niveau du bras chromosomique pour tester cette prédiction. Premièrement, nous avons étudié la différenciation génétique entre cinq taxa du groupe S. araneus se trouvant à des niveaux évolutifs différents (i.e. à l'intérieur et entre espèce). Au cours de cette étude, nous avons détecté une différenciation globale significativement plus élevée sur les chromosomes réarrangés. Cet effet varie entre les comparaisons, ce qui nous a permis de souligner le rôle de la complexité caryotypique des hybrides et du niveau de divergence évolutive entre taxa. Deuxièmement, nous avons comparé le flux de gènes des chromosomes communs et réarrangés dans deux zones d'hybridation caryotypiquement différentes (forte vs. Faible complexité des hybrides) mais présentant un niveau de différenciation génétique similaire. Ceci nous a permis de détecter une structure génétique significativement plus élevée sur les chromosomes réarrangés au centre de la zone d'hybridation présentant la plus grande complexité caryotypic. La forte variance observée entre loci souligne en outre le fait que d'autres facteurs, tel que la position du marqueur sur le chromosome, affectent probablement aussi la structure génétique mesurée. En conclusion, nos résultats supportent fortement le rôle des réarrangements chromosomiques dans la barrière reproductive entre espèces ainsi que leur importance dans les processus de spéciation des musaraignes du groupe S. araneus.

PH01 gene family in Arabidopsis thaliana and Physcomitrella patens

Summary Inorganic phosphate (Pi) is a main limiting nutrient to the growth and production yield of plants in many agro-ecosystems. Plants have evolved a series of metabolic and developmental adaptations to cope with low Pi availability. PH01 has been identified as a protein involved in the loading of Pi into the xylem of roots in Arabidopsis. In this study, the PHO1 gene family in both higher plant Arabidopsis and lower plant Physcomitrella was characterized. Additional ten PHO1 homologues in Arabidopsis and three homologues in Physcomitrella were identified. All proteins harbor a SPX tripartite domain in the N-terminal hydrophilic portion and an EXS domain in the highly conserved C-terminal hydrophobic portion. RT-PCR analysis of the Arabidopsis PHO1 genes revealed a broad pattern of expression in leaves, roots, stems, and flowers for most genes, although two genes are expressed exclusively in flowers, indicating their potential roles not only in Pi transport but also in Pi homeostasis within the Arabidopsis plant. The regulation of gene expression by different nutrient-starvations showed that some genes are strongly up-regulated by elements other than Pi, e.g. by NO3, Mg, and Zn starvation. Northern blot and RT-PCR analysis showed distinct expression patterns of the three Physcomitrella PHO1 genes. The investigation of Pi starvation effects on some Pi-deprivation responsive genes demonstrates that Physcomitrella has evolved a similar mechanism as higher plants to respond to Pi deficiency. Promoter activity analysis for the Physcomitrella PHO1 family genes using promoter-GUS fusions revealed their expression in protonemata and gametophores but at different levels and with different patterns, suggesting these genes may play distinct roles in Pi transport and/or Pi homeostasis in the moss plant. Single knockout mutants of the three genes were generated by gene targeting and one of them displayed a reduced Pi content in the protonemata under Pi starvation. The evolution of the PHO1 family in land plants was also discussed. Together, these findings indicate that the PHO1 family genes, present in a broad range of plant species from lower plants to flowering plants, play important roles in Pi transport and homeostasis. Résumé Le phosphate inorganique (Pi) est un nutriment essentiel à la croissance des plantes et au rendement de la production végétale. Dans beaucoup d'agro-écosystèmes, ce nutriment est limitant. Les plantes ont développé des adaptations métaboliques et développementales pour palier à la faible disponibilité du Pi. Il a été démontré que la protéine PHOI est indispensable au transfert du Pi dans le xylème des racines d' Arabidopsis. Cette étude porte sur la famille de gènes définie par PHO1 ; ceci, dans deux organismes modèles : la plante Arabidopsis pour les végétaux supérieurs, et la mousse Physcomitrella pour les végétaux inférieurs. Dix homologues à PHOI dans Arabidopsis et trois homologues dans Physcomitrella ont été identifiés. Toutes les protéines encodées présentent un domaine tripartite SPX dans leur partie N terminale hydrophile et un domaine EXS dans la partie C terminale hydrophobe hautement conservée d'entre eux. L'analyse par RT-PCR de l'expression des gènes PHO1 dans Arabidopsis révèle une expression ectopique pour la plupart, à l'exception de deux gènes dont l'expression est uniquement florale ; ceci suggère l'implication de cette famille non seulement dans le transport mais aussi dans l'homéostasie du Pi dans Arabidopsis. L'observation de l'expression de ces gènes en fonction de l'absence de différents nutriments montre que certains gènes sont fortement régulés lors de carences en NO3, Mg et Zn. L'analyse par northern blot et RT-PCR met en évidence des profils d'expression distincts pour les trois gènes de Physcomitrella. Les effets de la carence en Pi sur Physcomitrella ont été étudiés par le biais de gènes dépendants connus pour Arabidopsis, les résultats suggèrent un mode de réponse à cette carence conservé entre les végétaux inférieurs et supérieurs. La localisation tissulaire de l'expression de la famille PHO1 dans la mousse a été étudiée au moyen du gène rapporteur GUS fusionné aux différents promoteurs. Ceci a révélé leur expression dans les protonemata et les gametophores, mais à des intensités et avec des profils différents, ce qui suggère des implications distinctes dans le transport et/ou l'homéostasie du Pi dans la mousse. Des simples mutants knockout ont été générés pour chaque gène de mousse ; l'un d'eux présente une diminution du contenu protonemal en Pi lorsque soumis à une carence en Pi. L'évolution de la famille PHO1 dans les plantes terrestres est également discutée. Ensemble, ces résultats indiquent que les gènes de la famille PHO1 sont présents dans une large gamme de plantes allant des végétaux inférieurs aux supérieurs, et cette étude démontre que leur conservation se justifie potentiellement par le fait qu'ils sont probablement impliqués dans des mécanismes conservés de transport et d'homéostasie du Pi.

Pollution stress on aquatic microbial communities

Thousands of chemical compounds enter the natural environment but many have unknown effects and consequences, in particular at low concentrations. This thesis work contributes to our understanding of pollution effects by using bacteria as test organisms. Bacteria are important for this question because some of them degrade and transform pollutants into less harmful compounds, but secondly because they themselves can be inhibited in their reproduction by exposure to toxic compounds. When inhibitory effects occur this may change the composition of the microbial com¬munity in the long run, leading to altered or diminished ecosystem services by those communities. As a result chemicals of anthropogenic origin may accumulate and per¬sist in the environment, and finally, affect higher organisms as well. In addition to acquiring basic understanding of pollutant effects at low concentrations on bacterial communities an applied goal of this thesis work was to develop bacteria-based tests to screen new organic chemicals for toxicity and biodégradation. In the first part of this work we developed a flow cytometry-based assay on SYT09 plus ethidium-bromide or propidium-iodide stained cells of Pseudomonas ûuorescens exposed or not to a variety of pollutants under oligotrophic growth conditions. Flow cytometry (FC) allows fast and accurate counting of bacterial cells under simul¬taneous assessment of their physiological state, in particular in combination with different fluorescent dyes. Here we employed FC and fluorescent dyes to monitor the effect that pollutants may exert on Pseudomonas ûuorescens SV3. First we designed an oligotrophic growth test, which enabled us to follow population growth at low densities (104 - 10 7 cells per ml) using 0.1 mM sodium acetate as carbon source. Cells in the oligotrophic milieu were then exposed or not to a variety of common pollutants, such as 2-chlorobiphenyl (2CBP), naphthalene (NAH), 4-chlorophenol (4CP), tetradecane (TD), mercury chloride (HgCl2) or benzene, in different dosages. Exposed culture samples were stained with SYT09 (green fluorescent dye binding nucleic acids, generally staining all cells) in combination with propidium iodide (PI) or ethidium bromide (EB), both dyes being membrane integrity indicators. We ob- served that most of the tested compounds decreased population growth in a dosage- dependent manner. SYT09/PI or SYT09/EB staining then revealed that chemical exposure led to arisal of subpopulations of live and injured or dead cells. By modeling population growth on the total cell numbers in population or only the subpopulation of live cells we inferred that even in stressed populations live cells multiply at rates no different to unexposed controls. The net decrease in population growth would thus be a consequence of more and more cells being not able to multiply at all, rather than all cells multiplying at slower rates. In addition, the proportion of injured cells correlated to the compound dosage. We concluded that the oligotrophic test may be useful to asses toxicity of unknown chemicals on a variety of model bacteria. Mul¬tiple tests can be run in parallel and effects are rapidly measured within a period of 8 hours. Interestingly, in the same exposure tests with P. fluorescens SV3 we observed that some chemicals which did not lead to a reduction of net population growth rates did cause measurable effects on live cells. This was mainly observed in cells within the live subpopulation as an increase of the EB fluorescence signal. We showed that SYT09/EB is a more useful combination of dyes than SYT09/PI because PI fluorescence tend to increase only when cells are effectively dead, but not so much in live cells (less then twofold). In contrast, EB geometric mean fluorescence in live cells increased up to eightfold after exposure to toxic compounds. All compounds even at the lowest concentration caused a measurable increase in EB geometric mean fluorescence especially after 2 h incubation time. This effect was found to be transient for cells exposed to 2CBP and 4CP, but chronic for cells incubated with TD and NAH (ultimately leading to cell death). In order to understand the mechanism underlying the observed effects we used known membrane or energy uncouplers. The pattern of EB signal increase in chemical-exposed populations resembled mostly that of EDTA, although EB fluorescence in EDTA-treated or pasteurized cells was even higher than after exposure to the four test chemicals. We conclude that the ability of cells to efflux EB under equilibrium conditions is an appropriate measure for the potential of a chemical to exert toxicity. Since most bacterial species possess efflux systems for EB that all require cellular energy, our test should be more widely relevant to infer toxicity effects of chemical exposure on the physiological status of the bacterial cell. To better understand the effect of toxicant exposure on efflux defense systems, we studied 2-hydroxybiphenyl toxicity to Pseudomonas azeiaica HBP1. We showed that 2-HBP exerts toxicity even to P. azelaica HBP1, but only at concentrations higher than 0.5 mM. Above this concentration transient loss of membrane polarization and integrity occurred, which we conclude from staining of growing cells with fluorescent dyes. Cells finally recover and resume growth on 2HBP. The high resistance of P. azelaica HBP1 to 2-HBP was found to be the result of an efficient MexABOprM- type efflux pump system counteracting passive influx of this compound into the membrane and cellular interior. Mutants with disrupted mexA, mexB and oprM genes did no longer grow on 2-HBP at concentrations above 100 μΜ, whereas below this concentration we found 2-HBP-concentration dependent decrease of growth rate. The MexAB-OprM system in P. azeiaica HBP1 is indeed an efflux pump for ethidium bromide as well. By introducing gfp reporter fusions responsive to intracellular 2- HBP concentrations into HBP1 wild-type or the mutants we demonstrated that 2HBP enters into the cells in a similar way. In contrast, the reporter system in the wild-type cells does not react to 2-HBP at an outside concentration of 2.4 μΜ, whereas in mutant cells it does. This suggests that wild-type cells pump 2-HBP to the outside very effectively preventing accumulation of 2-HBP. 2HBP metabolism, therefore, is not efficient enough to lower the intracellular concentration and prevent toxicity. We conclude that P. azelaica HBP1 resistance to 2-HBP is mainly due to an efficient efflux system and that 2HBP in high concentrations exerts narcotic effects on the bacterial membrane. In the part of this thesis, we investigated the possibilities of bacteria to degrade pollutants at low concentrations (1 mg per L and below). As test components we used 2-hydroxybiphenyl, antibiotics and a variety of fragrances, many of which are known to be difficult to biodegrade. By using accurate counting of low numbers of bacterial cells we could demonstrate that specific growth on these compounds is possible. We demonstrated the accuracy of FC counting at low cell numbers (down to 103 bacterial cells per ml). Then we tested whether bacterial population growth could be specifically monitored at the expense of low substrate concentrations, us¬ing P. azelaica HBP1. A perfect relationship was found between growth rate, yield and 2-HBP concentrations in the range of 0.1 up to 5 mg per L. Mixing P. azelaica within sludge, however, suggested that growth yields in a mixed community can be much lower than in pure culture, perhaps because of loss of metabolic intermediates. We then isolated new strains from activated sludge using 2-HBP or antibiotics (Nal, AMP, SMX) at low concentrations (0.1-1 mg per L) as sole carbon and energy sub¬strate and PAO microdishes. The purified strains were then examined for growth on their respective substrate, which interestingly, showed that all strains can not with¬stand higher than 1 or 10 mg per L concentrations of target substrate. Thus, bacteria must exist that contribute to compound degradation at low pollutant concentrations but are inhibited at higher concentrations. Finally we tested whether specific biomass growth (in number of cells) at the expense of pollutants can also be detected with communities as starting material. Hereto, we focused on a number of fragrance chemicals and measured community biomass increase by flow cytometry cell counting on two distinct starter communities: (i) diluted Lake Geneva water, and dilute activated sludge from a wastewater treatment plant. We observed that most of the test compounds indeed resulted in significant biomass increase in the starter community compared to a no-carbon added control, but activated sludge and lake Geneva water strongly differed (almost mutually ex¬clusive) in their capacity to degrade the test chemicals. In two cases for activated sludge the same type of microbial community developed upon compound exposure, as concluded from transcription fragment length polymorphism analysis on community purified and PCR amplified 16S rRNA gene fragments. To properly test compound biodegradability it is thus important to use starter communities of different origin. We conclude that FC counting can be a valuable tool to screen chemicals for their biodegradability and toxicity. - Des milliers de produits chimiques sont libérés dans l'environnement mais beaucoup ont des effets inconnus, en particulier à basses concentrations. Ce travail de thèse contribue à notre comprehension des effets de la pollution en utilisant des bacteries comme des organismes-tests. Les bacteries sont importantes pour etudier cette ques¬tion car certaines d'entre elles peuvent degrader ou transformer les polluants, mais également parce qu'elles-mmes peuvent tre inhibees dans leur reproduction après avoit ete exposees à ces composes toxiques. Quand des effets inhibiteurs ont lieu, la composition de la communauté microbienne peut tre changee à long terme, ce qui mène à une reduction du service d'ecosystème offert par ces communautés. En consequence, après leur liberation dans l'environnement, les produits chimiques d'origine anthropogenique peuvent soit s'y accumuler et per¬sister, exerant ainsi des effets encore inconnus sur les organismes vivants. En plus d'acquérir des connaissances de base sur les effets des polluants à basses concentra¬tions sur les communautés microbiennes, un but applique de cette thèse était de développer des tests bases sur les bacteries afin d'identifier de nouveau composes pour leur toxicité ou leur biodégradation. Dans la première partie de ce travail, nous avons developpe un test base sur la cytometrie de flux (FC) sur des cellules de Pseudomonas fluorescens colorees par du bromure d'ethidium ou de l'iodure de propidium et exposees ou non à une palette de polluants sous des conditions de croissance oligotrophique. La cytometrie de flux est une technique qui connaît de nombreuses applications dans la microbiologie environ¬nementale. Cela est principalement du au fait qu'elle permet un comptage rapide et precis ainsi que l'évaluation de l'état physiologique, en particulier lorsqu'elle est combinée h des colorations fluorescentes. Ici, nous avons utilise la technique FC et des colorants fluorescents afin de mesurer l'effet que peuvent exercer certains pollu¬ants sur Pseudomonas ûuorescens SV3 . D'abord nous avons conu des tests oligo- trophiques qui nous permettent de suivre la croissance complète de cellules en culture h des densites faibles (104 -10 7 cellules par ml), sur de l'acetate de sodium à 0.1 mM, en presence ou absence de produits chimiques (2-chlorobiphenyl (2CBP), naphthalène (NAH), 4-chlorophenol (4CP), tetradecane (TD), chlorure de mercure(II) (HgCl2)) à différentes concentrations. Afin de montrer le devenir des bacteries tant au niveau de la cellule individuelle que celui de la population globale, après exposition à des series de composes chimiques, nous avons compte les cellules colorees avec du SYT09 (col¬orant fluorescent vert des acides nucléiques pour la discrimination des cellules par rapport au bruit de fond) en combinaison avec l'iodure de propidium (PI) ou le bromure d'ethidium (EB), indicateurs de l'intégrité de la membrane cellulaire avec FC. Nous avons observe que de nombreux composes testes avaient un effet sur la croissance bacterienne, resultant en une baisse du taux de reproduction de la pop¬ulation. En outre, la double coloration que nous avons utilisee dans cette etude SYT09/PI ou SYT09/EB a montre que les produits chimiques testes induisaient une reponse heterogène des cellules dans la population, divisant celle-ci en sous- populations "saine", "endommagee" ou "morte". Les nombres de cellules à partir du comptage et de la proportion de celles "saines" et "endommagees/mortes" ont ensuite ete utilises pour modeliser la croissance de P. ûuorescens SV3 exposee aux produits chimiques. La reduction nette dans la croissance de population est une consequence du fait que de plus en plus de cellules sont incapables de se reproduire, plutt que du fait d'une croissance plus lente de l'ensemble de la population. De plus, la proportion de cellules endommagees est correllee au dosage du compose chimique. Les résultats obtenus nous ont permis de conclure que le test oligotrophique que nous avons developpe peut tre utilise pour l'évaluation de la toxicité de produits chimiques sur différents modèles bacteriens. Des tests multiples peuvent tre lances en parallèle et les effets sont mesures en l'espace de huit heures. Par ailleurs, nous en déduisons que les produits chimiques exercént un effet sur la croissance des cellules de P. ûuorescens SV3, qui est heterogène parmi les cellules dans la population et depend du produit chimique. Il est intéressant de noter que dans les mmes tests d'exposition avec P. ûuorescens SV3, nous avons observe que certains composes qui n'ont pas conduit à une reduction du taux de la croissance nette de la population, ont cause des effets mesurables sur les cellule saines. Ceci a ete essentiellement observe dans la portion "saine" des cellules en tant qu'augmentation du signal de la fluorescence de 1ΈΒ. D'abord nous avons montre que SYT09/EB était une com¬binaison de colorants plus utile que celle de SYT09/PI parce que la fluorescence du PI a tendance à augmenter uniquement lorsque les cellules sont effectivement mortes, et non pas dans les cellules saines (moins de deux fois plus). Par opposi¬tion, la fluorescence moyenne de l'EB dans les cellules saines augmente jusqu'à huit fois plus après exposition aux composes toxiques. Tous les composes, mme aux plus basses concentrations, induisent une augmentation mesurable de la fluorescence moy¬enne de 1ΈΒ, plus particulièrement après deux heures d'incubation. Cet effet s'est revele tre transitoire pour les cellules exposees aux 2CNP et 4CP, mais est chro¬nique pour les cellules incubees avec le TD et le NAH (entranant la mort cellulaire). Afin de comprendre les mécanismes qui sous-tendent les effets observes, nous avons utilise des decoupleurs d'energie ou de membrane. L'augmentation du signal EB dans les populations causee par des produits chimiques ressemblait à celle exerce par le chelateur des ions divalents EDTA. Cependant, les intensités du signal EB des cellules exposees aux produits chimiques testees n'ont jamais atteint les valeurs des cellules traitees avec l'EDTA ou pasteurises. Nous en concluons que le test oli- gotrophique utilisant la coloration (SYT09/)EB des cellules exposees ou non à un produit chimique est utile afin d'evaluer l'effet toxique exerce par les polluants sur la physiologie bacterienne. Afin de mieux comprendre la reaction d'un système de defense par pompe à efflux après exposition à une toxine, nous avons étudié la toxicité du 2-hydroxybiphenyl (2-HBP) sur Pseudomonas azeiaica HBP1. Nous avons montre que le 2-HBP exerce une toxicité mme sur HBP1, mais uniquement à des concentrations supérieures à 0.5 mM. Au-dessus de cette concentration, des pertes transitoires d'intégrité et de polarization membranaire ont lieu, comme cela nous a ete montre par coloration des cellules en croissance. Les cellules sont finalement capables de se rétablir et de reprendre leur croissance sur 2-HBP. La forte resistance de P. azeiaica HBP1 h 2-HBP physiologie bacterienne s'est revele tre le résultat d'un système de pompe h efflux de type MexABOprM qui contre-balance l'influx passif de ce compose h travers la membrane. Nous avons montre, en construisant des mutants avec des insertions dans les gènes mexA, mexB and oprM et des fusions avec le gène rapporteur gfp, que l'altération de n'importe quelle partie du système d'efflux conduisait à accroître l'accumulation de 2-HBP dans la cellule, en comparaison avec la souche sauvage HBP1, provoquant une diminution de la resistance au 2-HBP ainsi qu'une baisse du taux de reproduction des cellules. Des systèmes d'efflux similaires sont répandus chez de nombreuses espèces bactériennes. Ils seraient responsables de la resistance aux produits chimiques tels que les colorants fluorescents (bromure d'ethidium) et des antibiotiques. Nous concluons que la resistance de P. azelaica HBP1 à 2-HBP est principalement due à un système d'efflux efficace et que 2-HBP, à des concentrations elevees, exerce un effet deletère sur la membrane bacterienne. En se basant sur le comptage des cellules avec la FC, nous avons developpe ensuite une methode pour evaluer la biodegradabilite de polluants tels que le 2-HBP ainsi que les antibiotiques (acide nalidixique (Nal), ampicilline (AMP) ou sulfamethoxazole (SMX)) à de faibles concentrations lmg par L et moins), par le suivi de la croissance spécifique sur le compose de cultures microbiennes pures et mixtes. En utilisant un comptage precis de faibles quantités de cellules nous avons pu demontrer que la croissance spécifique sur ces composes est possible. Nous avons pu illustrer la precision du comptage par cytometrie de flux à faible quantité de cellules (jusqu'à 10 3 cellules par ml). Ensuite, nous avons teste s'il était possible de suivre dynamiquement la croissance de la population de cellules sur faibles concentrations de substrats, en utilisant P. azelaica HBP1. Une relation parfaite a ete trouvee entre le taux de croissance, le rendement et les concentrations de 2-HBP (entre 0.1 et 5 mg par L). En mélangeant HBP1 à de la boue active, nous avons pu montrer que le rendement en communauté mixtes pouvait tre bien inférieur qu'en culture pure. Ceci étant peut tre le résultat d'une perte d'intermédiaires métaboliques. Nous avons ensuite isole de nouvelles souches à partir de la boue active en utilisant le 2-HBP ou des antibiotiques (Nal, AMP, SMX) h basses concentrations (0.1-1 mg par L) comme seules sources de carbone et d'energie. En combinaison avec ceci, nous avons également utilise des microplaques PAO. Les souches purifiees ont ensuite ete examinees pour leurs croissances sur leurs substrats respectifs. De faon intéressante, toutes ces souches ont montre qu'elles ne pouvaient pas survivre à des concentrations de substrats supérieures à 1 ou 10 mg par L. Ainsi, il existe des bacteries qui contribuent à la degradation de composes à basses concentrations de polluant mais sont inhibes lorsque ces concentrations deviennent plus hautes. Finalement, nous avons cherche à savoir s'il est possible de detecter une croissance spécifique à une biomasse au depend d'un polluant, en partant d'une communauté microbienne. Ainsi, nous nous sommes concentre sur certains composes et avons mesure l'augmentation de la biomasse d'une communauté grce à la cytometrie de flux. Nous avons compte deux communautés de depart distinctes: (i) une dilution d'eau du Lac Léman, et une dilution de boue active d'une station d'épuration. Nous avons observe que la plupart des composes testes ont entrane une augmentation de la biomasse de depart par rapport au control sans addition de source de carbone. Néanmoins, les échantillons du lac Léman et de la station d'épuration différaient largement (s'excluant mutuellement l'un l'autre) dans leur capacité à degrader les composes chimiques. Dans deux cas provenant de la station d'épuration, le mme type de communauté microbienne s'est developpe après exposition aux composes, comme l'a démontré l'analyse TRFLP sur les fragments d'ARN 16S purifie de la communauté et amplifie par PCR. Afin de tester correctement la biodegradabilite d'un compose, il est donc important d'utiliser des communautés de depart de différentes origines Nous en concluons que le comptage par cytometrie de flux peut tre un outil de grande utilité pour mettre en valeur la biodegradabillite et la toxicité des composes chimiques.

Role of Notch signaling in epidermis and appendages

Résumé Dans la peau, il a été montré que Notch1 induit l'arrêt de la prolifération et la différentiation des keratinocytes. L'inactivation de Notch1 cause une hyperplasie de l'épiderme et la formation de carcinomes basaux cellulaires. Notre groupe a principalement identifié deux voies de signalisations, la voie Shh et la voie Wnt, qui sont dérégulées en conséquence de l'inactivation de Notch1 dans la peau. Nous avons démontré l'habilité de Notch1 à réprimer la voie Wnt induite par ß-catenin dans les keratinocytes primaires ainsi que dans d'autres types de cellules épithéliales humaines. De plus, nous avons pu déterminer que Notch1 régule cette voie, probablement en favorisant la phosphorylation de ß-catenin par le complexe axin/APC/GSK-3ß. La protéine faisant partie de la voie Wnt, ou la protéine affectant la voie Wnt, qui est régulée par Notch1 est sujette à de plus amples investigations. Un autre but de cette étude a été l'identification de potentiels gènes cibles de Notch1 autres que ceux faisant partie des voies de signalisation Shh et Wnt précédemment évoquées. Ce projet fut abordé par l'analyse de puces à ADN (ISREC et Affymetrix) qui ont été utilisées pour des expériences de gain et de perte de fonction de Notch1 dans des keratinocytes prúmaires. En plus de l'hyperplasie épidermale, les souris Notch1 déficiente ont une perte importante de poils. Nous avons montré que Notch1 est nécessaire pour le développement et l'homéostasie des follicules pileux. En effet, l'inactivation du gène Notch1 mediée par l'activation des kératines 5 ou 14 dans l'épiderme, cause des défauts du cycle ainsi que de la structure des poils. De plus, d'autres appendices de la peau, comme les glandes sudoripares et de Meibomius, ont une structure anormale et sont non fonctionnelles dans les souris Notch1 déficiente. Finalement, nous avons observé que la déficience de Notch1 dans l'épithélium cornéen mène à la formation d'une plaque épidermale opaque sur la cornée. Basé sur l'hypothèse que le défaut des glandes de Meibomius des souris Notch1 déficientes cause des lésions de la surface oculaire, nous avons montré que Notch1 est essentiel pour la cicatrisation de la cornée. Lorsque Notch1 est absent, les cellules souches de l'épithélium cornéen ne sont plus capables de se différentier en cellules cornéennes, mais réparent la blessure en se différentiant en épiderme. Ce résultat indique que Notch1 est essentiel pour la différentiation de cellules souches de la cornée qui sont spécifiquement impliquées dans la réparation de la cornée. De plus, nous avons montré que l'expression de CRBP1 dans l'épithélium cornéen est diminuée en l'absence de Notch1, ceci étant possiblement à l'origine de la formation de la plaque épidermale. Abstract: In the skin, Notch1 has been shown to trigger cell growth arrest and differentiation of keratinocytes. Notch1 inactivation results in epidermal hyperplasia and subsequent formation of basal cell carcinoma-like (BCC-like) tumors. So far our group has identified two main pathways, the Shh and the Wnt pathway, that are deregulated as a consequence of Notch1 inactivation in the skin. We showed the ability of Notch1 to represses ß-catenin-mediated Wnt signaling in primary keratinocytes as well as in other types of human epithelial cells. In addition we were able to determine that Notch1 regulates this pathway possibly by enhancing ß-catenin phosphorylation by the axin/APC/GSK-3ß complex. The exact target protein of the Wnt pathway or target protein that affects the Wnt pathway, and that is regulated by Notch1, is subject of current investigation. Another aim of this study was the identification of possible Notch1 target genes in addition to those of the Shh and Wnt signaling pathways. This was addressed by gene chip analysis using ISREC as well as Affymetrix microarrays for gain and loss of function of Notch1 in mouse primary keratinocytes. In addition to epidermal hyperplasia, Notch1 deficient mice show an important hair loss. We showed that Notch1 is required for postnatal development and homeostasis of hair follicles. Indeed, keratin5 or keratinl4-driven Cre recombinase-mediated inactivation of the Notch1 gene in the epidermis causes perturbations of the hair cycle and structural defects of the hair follicle. Moreover, other skin appendages, like the sweat and Meibomian glands show abnormal morphology and are not functional in the Notch 1 deficient mice. Finally, we observed that Notch1 deficiency in the corneal epithelium leads to the formation of an epidermal corneal plaque. Based on the hypothesis that the Meiboinian gland defect in the Notch1 deficient mice results in lesions of the eye surface, we showed that Notch1 is essential for wound-healing of the cornea. In absence of Notch1 the stem cells of the corneal epithelium are no longer able to differentiate in the corneal fate but instead repair the wound by differentiating into skin-like epidermis. This result indicated that Notch1 is essential for the differentiation of corneal stem cells specifically implicated in corneal wound-healing. Moreover, we showed that CRBP1 expression in the corneal epithelium was lost in the absence of Notch1, possibly being at the origin of plaque formation.

A cell therapy approach for erythropoietin delivery using encapsulated human primary fibroblasts

Summary Cell therapy has emerged as a strategy for the treatment of various human diseases. Cells can be transplanted considering their morphological and functional properties to restore a tissue damage, as represented by blood transfusion, bone marrow or pancreatic islet cells transplantation. With the advent of the gene therapy, cells also were used as biological supports for the production of therapeutic molecules that can act either locally or at distance. This strategy represents the basis of ex vivo gene therapy characterized by the removal of cells from an organism, their genetic modification and their implantation into the same or another individual in a physiologically suitable location. The tissue or biological function damage dictates the type of cells chosen for implantation and the required function of the implanted cells. The general aim of this work was to develop an ex vivo gene therapy approach for the secretion of erythropoietin (Epo) in patients suffering from Epo-responsive anemia, thus extending to humans, studies previously performed with mouse cells transplanted in mice and rats. Considering the potential clinical application, allogeneic primary human cells were chosen for practical and safety reasons. In contrast to autologous cells, the use of allogeneic cells allows to characterize a cell lineage that can be further transplanted in many individuals. Furthermore allogeneic cells avoid the potential risk of zoonosis encountered with xenogeneic cells. Accordingly, the immune reaction against this allogeneic source was prevented by cell macro- encapsulation that prevents cell-to-cell contact with the host immune system and allows to easy retrieve the implanted device. The first step consisted in testing the survival of various human primary cells that were encapsulated and implanted for one month in the subcutaneous tissue of immunocompetent and naturally or therapeutically immunodepressed mice, assuming that xenogeneic applications constitute a stringent and representative screening before human transplantation. A fibroblast lineage from the foreskin of a young donor, DARC 3.1 cells, showed the highest mean survival score. We have then performed studies to optimize the manufacturing procedures of the encapsulation device for successful engraftment. The development of calcifications on the polyvinyl alcohol (PVA) matrix serving as a scaffold for enclosed cells into the hollow fiber devices was reported after one month in vivo. Various parameters, including matrix rinsing solutions, batches of PVA and cell lineages were assessed for their respective role in the development of the phenomenon. We observed that the calcifications could be totally prevented by using ultra-pure sterile water instead of phosphate buffer saline solution in the rinsing procedure of the PVA matrix. Moreover, a higher lactate dehydrogenase activity of the cells was found to decrease calcium depositions due to more acidic microenvironment, inhibiting the calcium precipitation. After the selection of the appropriate cell lineage and the optimization of encapsulation conditions, a retroviral-based approach was applied to DARC 3.1 fibroblasts for the transduction of the human Epo cDNA. Various modifications of the retroviral vector and the infection conditions were performed to obtain clinically relevant levels of human Epo. The insertion of a post-transcriptional regulatory element from the woodchuck hepatitis virus as well as of a Kozak consensus sequence led to a 7.5-fold increase in transgene expression. Human Epo production was further optimized by increasing the multiplicity of infection and by selecting high producer cells allowing to reach 200 IU hEpo/10E6 cells /day. These modified cells were encapsulated and implanted in vivo in the same conditions as previously described. All the mouse strains showed a sustained increase in their hematocrit and a high proportion of viable cells were observed after retrieval of the capsules. Finally, in the perspective of human application, a syngeneic model using encapsulated murine myoblasts transplanted in mice was realized to investigate the roles of both the host immune response and the cells metabolic requirements. Various loading densities and anti-inflammatory as well as immunosuppressive drugs were studied. The results showed that an immune process is responsible of cell death in capsules loaded at high cell density. A supporting matrix of PVA was shown to limit the cell density and to avoid early metabolic cell death, preventing therefore the immune reaction. This study has led to the development of encapsulated cells of human origin producing clinically relevant amounts of human EPO. This work resulted also to the optimization of cell encapsulation technical parameters allowing to begin a clinical application in end-stage renal failure patients. Résumé La thérapie cellulaire s'est imposée comme une stratégie de traitement potentiel pour diverses maladies. Si l'on considère leur morphologie et leur fonction, les cellules peuvent être transplantées dans le but de remplacer une perte tissulaire comme c'est le cas pour les transfusions sanguines ou les greffes de moelle osseuse ou de cellules pancréatiques. Avec le développement de la thérapie génique, les cellules sont également devenues des supports biologiques pour la production de molécules thérapeutiques. Cette stratégie représente le fondement de la thérapie génique ex vivo, caractérisée par le prélèvement de cellules d'un organisme, leur modification génétique et leur implantation dans le même individu ou dans un autre organisme. Le choix du type de cellule et la fonction qu'elle doit remplir pour un traitement spécifique dépend du tissu ou de la fonction biologique atteintes. Le but général de ce travail est de développer .une approche par thérapie génique ex vivo de sécrétion d'érythropoïétine (Epo) chez des patients souffrant d'anémie, prolongeant ainsi des travaux réalisés avec des cellules murines implantées chez des souris et des rats. Dans cette perpective, notre choix s'est porté sur des cellules humaines primaires allogéniques. En effet, contrairement aux cellules autologues, une caractérisation unique de cellules allogéniques peut déboucher sur de nombreuses applications. Par ailleurs, l'emploi de cellules allogéniques permet d'éviter les riques de zoonose que l'on peut rencontrer avec des cellules xénogéniques. Afin de protéger les cellules allogéniques soumises à une réaction immunitaire, leur confinement dans des macro-capsules cylindriques avant leur implantation permet d'éviter leur contact avec les cellules immunitaires de l'hôte, et de les retrouver sans difficulté en cas d'intolérance ou d'effet secondaire. Dans un premier temps, nous avons évalué la survie de différentes lignées cellulaires humaines primaires, une fois encapsulées et implantées dans le tissu sous-cutané de souris, soit immunocompétentes, soit immunodéprimées naturellement ou par l'intermédiaire d'un immunosuppresseur. Ce modèle in vivo correspond à des conditions xénogéniques et représente par conséquent un environnement de loin plus hostile pour les cellules qu'une transplantation allogénique. Une lignée fibroblastique issue du prépuce d'un jeune enfant, nommée DARC 3 .1, a montré une remarquable résistance avec un score de survie moyen le plus élevé parmi les lignées testées. Par la suite, nous nous sommes intéressés aux paramètres intervenant dans la réalisation du système d'implantation afin d'optimaliser les conditions pour une meilleure adaptation des cellules à ce nouvel environnement. En effet, en raison de l'apparition, après un mois in vivo, de calcifications au niveau de la matrice de polyvinyl alcohol (PVA) servant de support aux cellules encapsulées, différents paramètres ont été étudiés, tels que les procédures de fabrication, les lots de PVA ou encore les lignées cellulaires encapsulées, afin de mettre en évidence leur rôle respectif dans la survenue de ce processus. Nous avons montré que l'apparition des calcifications peut être totalement prévenue par l'utilisation d'eau pure au lieu de tampon phosphaté lors du rinçage des matrices de PVA. De plus, nous avons observe qu'un taux de lactate déshydrogénase cellulaire élevé était corrélé avec une diminution des dépôts de calcium au sein de la matrice en raison d'un micro-environnement plus acide inhibant la précipitation du calcium. Après sélection de la lignée cellulaire appropriée et de l'optimisation des conditions d'encapsulation, une modification génétique des fibroblastes DARC 3.1 a été réalisée par une approche rétrovirale, permettant l'insertion de l'ADN du gène de l'Epo dans le génome cellulaire. Diverses modifications, tant au niveau génétique qu'au niveau des conditions d'infection, ont été entreprises afin d'obtenir des taux de sécrétion d'Epo cliniquement appropriés. L'insertion dans la séquence d'ADN d'un élément de régulation post¬transcriptionnelle dérivé du virus de l'hépatite du rongeur (« woodchuck ») ainsi que d'une séquence consensus appelée « Kozak » ont abouti à une augmentation de sécrétion d'Epo 7.5 fois plus importante. De même, l'optimisation de la multiplicité d'infection et la sélection plus drastique des cellules hautement productrices ont permis finalement d'obtenir une sécrétion correspondant à 200 IU d'Epo/10E6 cells/jour. Ces cellules génétiquement modifiées ont été encapsulées et implantées in vivo dans les mêmes conditions que celles décrites plus haut. Toutes les souris transplantées ont montré une augmentation significative de leur hématocrite et une proportion importante de cellules présentait une survie conservée au moment de l'explantation des capsules. Finalement, dans la perspective d'une application humaine, un modèle syngénique a été proposé, basé sur l'implantation de myoblastes murins encapsulés dans des souris, afin d'investiguer les rôles respectifs de la réponse immunitaire du receveur et des besoins métaboliques cellulaires sur leur survie à long terme. Les cellules ont été encapsulées à différentes densités et les animaux transplantés se sont vus administrer des injections de molécules anti-inflammatoires ou immunosuppressives. Les résultats ont démontré qu'une réaction immunologique péri-capsulaire était à la base du rejet cellulaire dans le cas de capsules à haute densité cellulaire. Une matrice de PVA peut limiter cette densité et éviter une mort cellulaire précoce due à une insuffisance métabolique et par conséquent prévenir la réaction immunitaire. Ce travail a permis le développement de cellules encapsulées d'origine humaine sécrétant des taux d'Epo humaine adaptés à des traitements cliniques. De pair avec l'optimalisation des paramètres d'encapsulation, ces résultats ont abouti à l'initiation d'une application clinique destinée à des patients en insuffisance rénale terminale.