Towards robust network based complex systems : from evolutionary cellular automata to biological models

Abstract Sitting between your past and your future doesn't mean you are in the present. Dakota Skye Complex systems science is an interdisciplinary field grouping under the same umbrella dynamical phenomena from social, natural or mathematical sciences. The emergence of a higher order organization or behavior, transcending that expected of the linear addition of the parts, is a key factor shared by all these systems. Most complex systems can be modeled as networks that represent the interactions amongst the system's components. In addition to the actual nature of the part's interactions, the intrinsic topological structure of underlying network is believed to play a crucial role in the remarkable emergent behaviors exhibited by the systems. Moreover, the topology is also a key a factor to explain the extraordinary flexibility and resilience to perturbations when applied to transmission and diffusion phenomena. In this work, we study the effect of different network structures on the performance and on the fault tolerance of systems in two different contexts. In the first part, we study cellular automata, which are a simple paradigm for distributed computation. Cellular automata are made of basic Boolean computational units, the cells; relying on simple rules and information from- the surrounding cells to perform a global task. The limited visibility of the cells can be modeled as a network, where interactions amongst cells are governed by an underlying structure, usually a regular one. In order to increase the performance of cellular automata, we chose to change its topology. We applied computational principles inspired by Darwinian evolution, called evolutionary algorithms, to alter the system's topological structure starting from either a regular or a random one. The outcome is remarkable, as the resulting topologies find themselves sharing properties of both regular and random network, and display similitudes Watts-Strogtz's small-world network found in social systems. Moreover, the performance and tolerance to probabilistic faults of our small-world like cellular automata surpasses that of regular ones. In the second part, we use the context of biological genetic regulatory networks and, in particular, Kauffman's random Boolean networks model. In some ways, this model is close to cellular automata, although is not expected to perform any task. Instead, it simulates the time-evolution of genetic regulation within living organisms under strict conditions. The original model, though very attractive by it's simplicity, suffered from important shortcomings unveiled by the recent advances in genetics and biology. We propose to use these new discoveries to improve the original model. Firstly, we have used artificial topologies believed to be closer to that of gene regulatory networks. We have also studied actual biological organisms, and used parts of their genetic regulatory networks in our models. Secondly, we have addressed the improbable full synchronicity of the event taking place on. Boolean networks and proposed a more biologically plausible cascading scheme. Finally, we tackled the actual Boolean functions of the model, i.e. the specifics of how genes activate according to the activity of upstream genes, and presented a new update function that takes into account the actual promoting and repressing effects of one gene on another. Our improved models demonstrate the expected, biologically sound, behavior of previous GRN model, yet with superior resistance to perturbations. We believe they are one step closer to the biological reality.

Interactions of Adeno-associated virus Rep78 protein with the host cell

Abstract : Adeno-associated virus (AAV) is a small DNA virus belonging to the familiy of Parvoviridae. Its genome contains two genes : the rep gene encoding four non structural proteins (Rep78, 68, 52 and 40) implicated in transcription, replication and site-specific integration of the viral DNA and the cap gene encoding three capsid proteins. AAV does not cause any disease, but is studied in view of its potential use to treat several diseases. An interesting property of AAV is its antiproliferative effect. Two elements of AAV can inhibit cell growth. Firstly, the single stranded viral DNA is recognized in cells as damaged DNA leading to either a G2 block or cell death depending on p53 status. Secondly, the two larger Rep proteins (Rep78 and 68) also arrest the cell cycle when they are expressed at high levels. Rep78 in particular induces a complete cell cycle arrest in all the phases, including S phase. Such a strong S phase arrest is rarely seen in other conditions. It was thus interesting to determine how Rep78 could induce it. We found that this strong block is the consequence of Rep78's effects on at least two pathways. Rep78 induces a DNA damage response by producing nicks in the cellular chromatin. Furthermore, Rep78 can bind to the cellular phosphatase Cdc25A and prevent its binding to its substrates CDK2 and CDK1, thus inhibiting its activity. A mutational analysis of Rep78 protein determined that its endonuclease activity is responsible for the DNA damage response and its zinc finger domain for Cdc25A inhibition. The combined expression of two mutants each defective for one of these activities, or these two activities obtained independently of Rep78, could restore the complete cell cycle block, indicating that these two effects of Rep78 are likely to explain completely the cell cycle block it induces. Secondly, the lack of pathogenicity of AAV, its broad range of infection and its ability to integrate site-specifically in human chromosome 19 make it an interesting potential vector for gene therapy. However site-specific integration is only possible in the presence of Rep78/68 whose gene is removed in recombinant AAV vectors. In this part of the study, we tried to introduce Rep protein separately from recombinant AAV vectors to promote their site-specific integration. For that purpose, a fusion protein, TAT-Rep, comprising Rep78/68 joined to the human immunodeficiency virus Tat protein was produced. It had the ability to enter cells and remain active there for a short period. Its activity was sufficient to mediate transcription from the p5 promoter, second-strand synthesis of a recombinant AAV and probably site-specific integration. Résumé : Le virus associé à l'adénovirus (AAV) est un petit virus à ADN qui fait partie de la famille des Parvoviridae. Son génome contient deux gènes : le gène rep code pour quatre protéines (Rep78, 68, 52 et 40) qui participent à la transcription, la réplication et l'intégration du virus et le gène cap code pour les trois protéines de capside. AAV ne produit pas de maladie, mais pourrait au contraire être utilisé pour en soigner. Sa bénignité, sa capacité à infecter différents types de cellules et son intégration spécifique en font un vecteur potentiel pour la thérapie génique. Pour qu'il puisse s'intégrer spécifiquement, il a besoin de la protéine Rep78 ou 68, mais ce gène doit être enlevé des vecteurs pour la thérapie génique. Le but de la première partie de cette étude était d'introduire Rep78 ou 68 dans des cellules en même temps qu'un AAV recombinant, mais indépendamment afin de permettre une intégration spécifique. La stratégie utilisée était de produire une protéine de fusion (TAT-Rep) qui peut entrer dans des cellules si elle est présente dans leur milieu. Cette protéine entrait bien dans les cellules et y était active favorisant ainsi l'intégration spécifique. Une deuxième propriété d'AAV, son effet anti-prolifératif, est intéressante dans le cadre de certaines maladies comme le cancer. Deux éléments d'AAV en sont responsables. D'abord, son ADN simple brin active une réponse cellulaire à l'ADN endommagé et arrête les cellules en G2 ou provoque leur mort. De plus, la protéine Rep78 d'AAV peut fortement bloquer le cycle cellulaire à toutes les phases, même en phase S, ce qui est rare. C'est pourquoi nous avons essayé de comprendre cet effet. Nous avons remarqué que Rep78 doit agir sur deux fronts pour obtenir ce fort bloc. D'un côté, Rep78 introduit des coupures simple brin sur l'ADN de la cellule ce qui active une réponse cellulaire à l'ADN endommagé qui passe par ATM. D'un autre côté, Rep78 lie une phosphatase cellulaire, Cdc25A, et l'empêche ainsi de lier ses substrats CDK2 et CDK1 et donc d'être active. Finalement, à l'aide de mutants de Rep78, nous avons déterminé que l'activité endonuclease de Rep78 était nécessaire pour induire une réponse cellulaire via ATM et que le domaine C-terminal appelé «zinc finger » était responsable de la liaison avec Cdc25A. En co-exprimant deux mutants, qui n'ont chacun qu'un des effets de Rep78, ou en obtenant les deux effets de Rep78 indépendamment d'elle, nous avons obtenu un bloc complet du cycle cellulaire similaire à celui obtenu avec Rep78. Il est donc probable que ces deux effets de Rep78 sont suffisants pour expliquer comment elle arrive à arrêter le cycle cellulaire si efficacement.

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

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

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

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

Jeanne d'Arc : sa vie, son procès, sa mort / Narjo. [Jeanne Darc, poésie / signée Paul Thouzery]

Comprend : Jeanne Darc, poésie

Pharmacokinetic and pharmacogenetic factors influencing plasma and cellular antiretroviral drug disposition

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

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

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