Identification and modelling of human breast cancer subtypes

Résumé Le cancer du sein est le cancer le plus commun chez les femmes et est responsable de presque 30% de tous les nouveaux cas de cancer en Europe. On estime le nombre de décès liés au cancer du sein en Europe est à plus de 130.000 par an. Ces chiffres expliquent l'impact social considérable de cette maladie. Les objectifs de cette thèse étaient: (1) d'identifier les prédispositions et les mécanismes biologiques responsables de l'établissement des sous-types spécifiques de cancer du sein; (2) les valider dans un modèle ín vivo "humain-dans-souris"; et (3) de développer des traitements spécifiques à chaque sous-type de cancer du sein identifiés. Le premier objectif a été atteint par l'intermédiaire de l'analyse des données d'expression de gènes des tumeurs, produite dans notre laboratoire. Les données obtenues par puces à ADN ont été produites à partir de 49 biopsies des tumeurs du sein provenant des patientes participant dans l'essai clinique EORTC 10994/BIG00-01. Les données étaient très riches en information et m'ont permis de valider des données précédentes des autres études d'expression des gènes dans des tumeurs du sein. De plus, cette analyse m'a permis d'identifier un nouveau sous-type biologique de cancer du sein. Dans la première partie de la thèse, je décris I identification des tumeurs apocrines du sein par l'analyse des puces à ADN et les implications potentielles de cette découverte pour les applications cliniques. Le deuxième objectif a été atteint par l'établissement d'un modèle de cancer du sein humain, basé sur des cellules épithéliales mammaires humaines primaires (HMECs) dérivées de réductions mammaires. J'ai choisi d'adapter un système de culture des cellules en suspension basé sur des mammosphères précédemment décrit et pat décidé d'exprimer des gènes en utilisant des lentivirus. Dans la deuxième partie de ma thèse je décris l'établissement d'un système de culture cellulaire qui permet la transformation quantitative des HMECs. Par la suite, j'ai établi un modèle de xénogreffe dans les souris immunodéficientes NOD/SCID, qui permet de modéliser la maladie humaine chez la souris. Dans la troisième partie de ma thèse je décris et je discute les résultats que j'ai obtenus en établissant un modèle estrogène-dépendant de cancer du sein par transformation quantitative des HMECs avec des gènes définis, identifiés par analyse de données d'expression des gènes dans le cancer du sein. Les cellules transformées dans notre modèle étaient estrogène-dépendantes pour la croissance, diploïdes et génétiquement normales même après la culture cellulaire in vitro prolongée. Les cellules formaient des tumeurs dans notre modèle de xénogreffe et constituaient des métastases péritonéales disséminées et du foie. Afin d'atteindre le troisième objectif de ma thèse, j'ai défini et examiné des stratégies de traitement qui permettent réduire les tumeurs et les métastases. J'ai produit un modèle de cancer du sein génétiquement défini et positif pour le récepteur de l'estrogène qui permet de modéliser le cancer du sein estrogène-dépendant humain chez la souris. Ce modèle permet l'étude des mécanismes impliqués dans la formation des tumeurs et des métastases. Abstract Breast cancer is the most common cancer in women and accounts for nearly 30% of all new cancer cases in Europe. The number of deaths from breast cancer in Europe is estimated to be over 130,000 each year, implying the social impact of the disease. The goals of this thesis were first, to identify biological features and mechanisms --responsible for the establishment of specific breast cancer subtypes, second to validate them in a human-in-mouse in vivo model and third to develop specific treatments for identified breast cancer subtypes. The first objective was achieved via the analysis of tumour gene expression data produced in our lab. The microarray data were generated from 49 breast tumour biopsies that were collected from patients enrolled in the clinical trial EORTC 10994/BIG00-01. The data set was very rich in information and allowed me to validate data of previous breast cancer gene expression studies and to identify biological features of a novel breast cancer subtype. In the first part of the thesis I focus on the identification of molecular apacrine breast tumours by microarray analysis and the potential imptìcation of this finding for the clinics. The second objective was attained by the production of a human breast cancer model system based on primary human mammary epithelial cells {HMECs) derived from reduction mammoplasties. I have chosen to adopt a previously described suspension culture system based on mammospheres and expressed selected target genes using lentiviral expression constructs. In the second part of my thesis I mainly focus on the establishment of a cell culture system allowing for quantitative transformation of HMECs. I then established a xenograft model in immunodeficient NOD/SCID mice, allowing to model human disease in a mouse. In the third part of my thesis I describe and discuss the results that I obtained while establishing an oestrogen-dependent model of breast cancer by quantitative transformation of HMECs with defined genes identified after breast cancer gene expression data analysis. The transformed cells in our model are oestrogen-dependent for growth; remain diploid and genetically normal even after prolonged cell culture in vitro. The cells farm tumours and form disseminated peritoneal and liver metastases in our xenograft model. Along the lines of the third objective of my thesis I defined and tested treatment schemes allowing reducing tumours and metastases. I have generated a genetically defined model of oestrogen receptor alpha positive human breast cancer that allows to model human oestrogen-dependent breast cancer in a mouse and enables the study of mechanisms involved in tumorigenesis and metastasis.

Neutrophils and TNF: two key players in the immune response induced by "Leishmania major" infection

Summary Resolution of the inflammation is as important as its induction. In this thesis, we investigated the contributions of two prominent factors involved in inflammation, Tumour Necrosis Factor (TNF) and neutrophils. We studied their role in the resolution óf the inflammatory lesion induced by the infection with the protozoan parasite Leishmania major. In mice susceptible to infection with L. major, unhealing lesions are characterized by an elevated number and sustained presence of inflammatory neutrophils in the infected tissue, illustrating an acute inflammatory process. In contrast, mice from resistant strains, which resolve their lesions, can control the presence of neutrophils at the site of infection. Neutrophil persistence in the infected tissue may result from several events including an increased survival of neutrophils mediated by factors produced by the pathogen or the microenvironment. Following infection with L. major, the cellular composition of the inflammatory lesion differs significantly between susceptible and resistant mice and a higher proportion of macrophages is present in the lesions of resistant strains. In an attempt to clarify the factors involved in neutrophil persistence, we investigated the mechanisms modulating neutrophil cell death. We demonstrated that macrophages could induce neutrophil apoptosis in a process involving TNF. TNF is an essential cytokine with pro- and anti-inflammatory properties, which is expressed as a transmembrane protein that can be cleaved releasing the secreted form. Our data show the essential role of the transmembrane form of TNF (mTNF) in the induction of neutrophil apoptosis by macrophages, revealing macrophages and mTNF as important regulators of neutrophil apoptosis. TNF is critical in the resolution of the inflammatory lesion induced by L. major infection, and in L. major resistant strains its absence results in increased swelling of the lesions. We investigated the contribution of mTNF in the outcome of L. major infection. Our data demonstrate that following infection with L. major, mTNF is sufficient to support the resolution of the inflammatory lesion and optimal parasite killing. In addition, we show that the presence of mTNF is essential to induce neutrophil clearance in the infected tissue. While the persistence of neutrophils is deleterious for the host, we could demonstrate an early anti-inflammatory role of neutrophils. Altogether, this study demonstrates the importance of mTNF in the induction of neutrophil apoptosis, a process involved in the resolution of the inflammatory lesion induced by L. major infection. Résumé La résolution de l'inflammation est toute aussi importante que son initiation. Durant ce travail de thèse, nous avons étudié les contributions de deux facteurs importants impliqués dans l'inflammation, le TNF (Facteur Nécrosant des Tumeurs) et les neutrophiles, dans la résolution de la lésion inflammatoire induite par l'infection avec le parasite protozoaire Leishmania major. Chez les souris sensibles à l'infection avec L. major, des lésions importantes qui ne guérissent pas se développent ; celles-ci sont caractérisées par un nombre élevé et une présence soutenue de neutrophiles dans les tissus infectés, ce qui illustre un processus inflammatoire aigu. Au contraire, les souris résistantes à l'infection qui guérissent leurs lésions, sont capables de contrôler la présence des neutrophiles au site d'infection. La persistance des neutrophiles dans la lésion inflammatoire peut être la conséquence de plusieurs événements, dont une augmentation de la survie des neutrophiles induite par des facteurs produits par le pathogène ou le micro-environnement. Suite à l'infection avec L. major, la composition cellulaire de la lésion inflammatoire est significativement différente entre les souris sensibles et résistantes à l'infection, et une plus grande proportion de macrophages est présente dans les lésions des souris résistantes. Dans l'objectif de clarifier les facteurs impliqués dans la persistance des neutrophiles dans les tissus infectés par L. major, nous avons étudié les mécanismes de régulation de la mort des neutrophiles. Nous avons démontré que les macrophages pouvaient induire l'apoptose des neutrophiles dans un procédé impliquant le TNF. Le TNF est une cytokine aux propriétés pro- et anti-inflammatoires, exprimée sous une forme transmembranaire qui peut être clivée pour relâcher la forme sécrétée. Nos expériences illustrent le rôle essentiel de la forme transmembranaire du TNF (mTNF) dans l'induction de l'apoptose des neutrophiles par les macrophages. Lé TNF est une cytokine importante dans la résolution de la réaction inflammatoire induite par L. major, et chez les souris résistantes l'absence de TNF provoque des lésions inflammatoires plus importantes. Nous avons étudié la contribution du mTNF dans la résolution de l'infection avec L. major. Nos résultats démontrent que suite à une infection avec le parasite, la présence du mTNF est suffisante pour guérir la lésion inflammatoire et contrôler efficacement la réplication du parasite. De plus, le mTNF joue un rôle essentiel dans l'élimination des neutrophiles du tissu infecté. Alors que la persistance des neutrophiles est nocive pour l'hôte, nous avons montré que les neutrophiles avaient un rôle précoce anti-inflammatoire. En résumé, cette étude révèle l'importance du mTNF dans l'induction de l'apoptose des neutrophiles par les macrophages, un procédé impliqué dans la résolution de la lésion inflammatoire induite par l'infection avec L. major.

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

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

Anti-tumour effect of monoclonal antibodies against selected antigens expressed by B-cells in Chronic Lymphocytic Leukaemia : strategies to enhance the efficacy of immunotherapy

Résumé : Les anticorps monoclonaux ont une place de plus en plus prépondérante dans le traitement des lymphomes et leucémies. Dans cette étude, trois anticorps monoclonaux murins, dirigés contre les antigènes CDS, CD71 et HLA-DR exprimés à la surface des cellules de leucémies lymphoïdes chroniques (LLC), ont été évalués. In vitro, les anticorps radiomarqués ont montrés des bonnes liaisons spécifiques sur les différentes cellules cibles. L'anti-CD71 inhibait la prolifération de la plupart des lignées cellulaires testées avec une accumulation des cellules en phase S précoce du cycle cellulaire. L'anti-HLA-DR inhibait aussi la prolifération des lignées leucémique JOK1-5.3 et lymphoïde Daudi. Cette inhibition était associée à une agrégation des cellules. Aucune induction d'apoptose n'a pu être clairement observée avec ces anticorps. L'anti-CD5 n'a montré aucun effet d'inhibition de croissance in vitro. In vivo, l'injection des anticorps individuellement augmentait significativement la survie médiane de souris SCID greffées avec des cellules JOK1-5.3 en i.p. De plus, l'anticorps antiCD5 combiné à l'anti-HLA-DR ou l'anti-CD71, sous certaines conditions, inhibait complètement le développement tumoral dans la quasi totalité des souris traitées avec une augmentation significative de l'efficacité comparée aux anticorps seuls. L'augmentation de l'efficacité thérapeutique des anticorps monoclonaux par les cytokines, dont l'IL-2, a déjà été montrée dans la littérature. Au regard du meilleur comportement de l'IL-2 sous la forme complexée à un anticorps anti-IL-2, nous avons évalué l'efficacité de l'IL-2/anti-IL-2 seul ou combinés au rituximab chez différents modèles tumoraux s.c. (BL60.2, Daudi, Ramos) ou i.p. (JOK15.3) de souris SCID. Le complexe IL-2/anti-IL-2 a montré un effet anti-tumoral dans les souris greffées avec BL60.2 et Daudi. Le traitement IL-2/anti-IL-2 combiné au rituximab a montré une efficacité accrue chez des souris avec BL60.2 par rapport au rituximab seul. En revanche, nous n'avons pas observé de différence avec IL-2/anti-IL-2 seul.Aussi, nous avons évalué l'utilisation de l'agent couplant tri-fonctionnel TMEA pour produire des anticorps bispecifiques. Les expériences préliminaires avec les anticorps rituximab et herceptine, ont mis en évidence sur gel SDS-Page la formation de dimers (~100kDa) et de trimers (~150kDa). Les anticorps bispecifiques sont composés d'un fragment Fab' d'une spécificité et de un ou deux fragments Fab' de l'autre spécificité permettant de moduler la capacité de liaison. Nous avons enfin montré qu'une construction anti-CD5/anti-CD20 était capable de se lier indépendamment ou simultanément à ses antigènes cibles. En conclusion, ce travail a montré l'efficacité thérapeutique des trois anticorps monoclonaux étudiés dans un model de LLC in vivo, et plus particulièrement l'intérêt de certaines combinaisons. D'autre part, nous avons montré l'efficacité anti-tumorale du complexe IL-2/anti-IL-2 in vivo. Des études futures devront permettre de définir un régime favorable pour augmenter l'efficacité de la thérapie avec les anticorps monoclonaux. Enfin, nous avons montré la faisabilité d'utiliser l'agent couplant TMEA pour produire des anticorps bispécifiques fonctionnels.Abstract : Monoclonal antibody (mAb) therapy has become an integral part in different treatments of lymphomas and leukaemias. In this study, we describe three murine mAbs directed against the CD5, CD71 and HLA-DR antigens expressed on chronic lymphocytic leukaemia cells (CLL). In vitro, radiolabeled purified mAbs showed good specific binding on live target cells. Anti-CD71 mAb inhibited proliferation of most cell lines with an accumulation of responding cells in early S-phase of the cell cycle, but without induction of apoptosis. Anti-HLA-DR mAb showed proliferation inhibition of leukaemia JOK1-5.3 and lymphoid Daudi cells, associated with cell aggregation, but again no specific sign of apoptosis was observed. Anti-CD5 mAb did not show any growth inhibitory effect in vitro. In vivo, in a model of SCID mice grafted i.p. with JOK1-5.3 cells, injection of individual mAbs induced significant prolongation of median survival, up to complete inhibition of tumour growth in some mice. Antibody combination of anti-CD5 with anti-HLA-DR or anti-CD71, evaluated in an early treatment, completely inhibited tumour growth in most mice, with a significant efficacy enhancement as compared to mAb used as single agents. Previous reports described the improved efficacy of mAb therapy when combined with cytokines such as IL-2. Relying further on the improved efficacy of IL-2 when administered as an immune complex with anti-IL-2 mAb, we evaluated the anti-tumour effect of the IL-2/anti-IL-2 complex alone or combined with rituximab in subcutaneous (BL60.2, Daudi, Ramos) or i.p. (JOK1-5.3) tumour models in SCID mice. The IL-2/anti-IL-2 complex demonstrated an anti-tumour effect in BL60.2 and Daudi grafted SCID mice. Combination of IL-2/anti-IL-2 treatment with rituximab showed increased efficacy as compared to rituximab alone in BL60.2 grafted mice. However, no difference was observed with IL-2/anti-IL-2 complex alone in these experiments. Finally, we evaluated the feasibility of producing bispecific antibodies (bsAbs) using a trifunctional coupling agent, called TMEA. In preliminary experiments coupling rituximab with herceptine Fab' fragments we obtained the formation of dimers (~100kDa) and trimers (~150kDa) as observed on SDS-Page gel. This method allowed us to produce bsAb with one Fab' fragments of one specificity and one or two Fab' fragments of the second specificity. An anti-CD5/anti-CD20 bsAb was shown to bind targeted antigen either independently or simultaneously. In conclusion, these data show that the three mAbs were all able to induce significant growth inhibition of the JOK1-5.3 cell line in vivo, and efficacy was enhanced when used in combination. IL2/anti-IL-2 complex displayed anti-tumour efficacy in vivo. Further evaluation is necessary to define the most favourable combination to improve mAb therapy. BsAb were produced using the tri-functional agent allowing antibody fragments with relatively good binding. The poor yield obtained with such chemical couplings limited the use of these constructs in preclinical experiments.

Evolutionary history and its relevance in understanding and conserving southern African biodiversity

Abstract : Understanding how biodiversity is distributed is central to any conservation effort and has traditionally been based on niche modeling and the causal relationship between spatial distribution of organisms and their environment. More recently, the study of species' evolutionary history and relatedness has permeated the fields of ecology and conservation and, coupled with spatial predictions, provides useful insights to the origin of current biodiversity patterns, community structuring and potential vulnerability to extinction. This thesis explores several key ecological questions by combining the fields of niche modeling and phylogenetics and using important components of southern African biodiversity. The aims of this thesis are to provide comparisons of biodiversity measures, to assess how climate change will affect evolutionary history loss, to ask whether there is a clear link between evolutionary history and morphology and to investigate the potential role of relatedness in macro-climatic niche structuring. The first part of my thesis provides a fine scale comparison and spatial overlap quantification of species richness and phylogenetic diversity predictions for one of the most diverse plant families in the Cape Floristic Region (CFR), the Proteaceae. In several of the measures used, patterns do not match sufficiently to argue that species relatedness information is implicit in species richness patterns. The second part of my thesis predicts how climate change may affect threat and potential extinction of southern African animal and plant taxa. I compare present and future niche models to assess whether predicted species extinction will result in higher or lower V phylogenetic diversity survival than what would be experienced under random extinction processes. l find that predicted extinction will result in lower phylogenetic diversity survival but that this non-random pattern will be detected only after a substantial proportion of the taxa in each group has been lost. The third part of my thesis explores the relationship between phylogenetic and morphological distance in southern African bats to assess whether long evolutionary histories correspond to equally high levels of morphological variation, as predicted by a neutral model of character evolution. I find no such evidence; on the contrary weak negative trends are detected for this group, as well as in simulations of both neutral and convergent character evolution. Finally, I ask whether spatial and climatic niche occupancy in southern African bats is influenced by evolutionary history or not. I relate divergence time between species pairs to climatic niche and range overlap and find no evidence for clear phylogenetic structuring. I argue that this may be due to particularly high levels of micro-niche partitioning. Résumé : Comprendre la distribution de la biodiversité représente un enjeu majeur pour la conservation de la nature. Les analyses se basent le plus souvent sur la modélisation de la niche écologique à travers l'étude des relations causales entre la distribution spatiale des organismes et leur environnement. Depuis peu, l'étude de l'histoire évolutive des organismes est également utilisée dans les domaines de l'écologie et de la conservation. En combinaison avec la modélisation de la distribution spatiale des organismes, cette nouvelle approche fournit des informations pertinentes pour mieux comprendre l'origine des patterns de biodiversité actuels, de la structuration des communautés et des risques potentiels d'extinction. Cette thèse explore plusieurs grandes questions écologiques, en combinant les domaines de la modélisation de la niche et de la phylogénétique. Elle s'applique aux composants importants de la biodiversité de l'Afrique australe. Les objectifs de cette thèse ont été l) de comparer différentes mesures de la biodiversité, 2) d'évaluer l'impact des changements climatiques à venir sur la perte de diversité phylogénétique, 3) d'analyser le lien potentiel entre diversité phylogénétique et diversité morphologique et 4) d'étudier le rôle potentiel de la phylogénie sur la structuration des niches macro-climatiques des espèces. La première partie de cette thèse fournit une comparaison spatiale, et une quantification du chevauchement, entre des prévisions de richesse spécifique et des prédictions de la diversité phylogénétique pour l'une des familles de plantes les plus riches en espèces de la région floristique du Cap (CFR), les Proteaceae. Il résulte des analyses que plusieurs mesures de diversité phylogénétique montraient des distributions spatiales différentes de la richesse spécifique, habituellement utilisée pour édicter des mesures de conservation. La deuxième partie évalue les effets potentiels des changements climatiques attendus sur les taux d'extinction d'animaux et de plantes de l'Afrique australe. Pour cela, des modèles de distribution d'espèces actuels et futurs ont permis de déterminer si l'extinction des espèces se traduira par une plus grande ou une plus petite perte de diversité phylogénétique en comparaison à un processus d'extinction aléatoire. Les résultats ont effectivement montré que l'extinction des espèces liées aux changements climatiques pourrait entraîner une perte plus grande de diversité phylogénétique. Cependant, cette perte ne serait plus grande que celle liée à un processus d'extinction aléatoire qu'à partir d'une forte perte de taxons dans chaque groupe. La troisième partie de cette thèse explore la relation entre distances phylogénétiques et morphologiques d'espèces de chauves-souris de l'Afrique australe. ll s'agit plus précisément de déterminer si une longue histoire évolutive correspond également à des variations morphologiques plus grandes dans ce groupe. Cette relation est en fait prédite par un modèle neutre d'évolution de caractères. Aucune évidence de cette relation n'a émergé des analyses. Au contraire, des tendances négatives ont été détectées, ce qui représenterait la conséquence d'une évolution convergente entre clades et des niveaux élevés de cloisonnement pour chaque clade. Enfin, la dernière partie présente une étude sur la répartition de la niche climatique des chauves-souris de l'Afrique australe. Dans cette étude je rapporte temps de divergence évolutive (ou deux espèces ont divergé depuis un ancêtre commun) au niveau de chevauchement de leurs niches climatiques. Les résultats n'ont pas pu mettre en évidence de lien entre ces deux paramètres. Les résultats soutiennent plutôt l'idée que cela pourrait être I dû à des niveaux particulièrement élevés de répartition de la niche à échelle fine.

Role of transcription factor PROX1 in colon cancer metastasis

Initiation and progression of most colorectal cancers (CRCs) are driven by hyper-activation of the canonical Wnt/ß-catenin/TCF signaling pathway. However, a basal level of activation of this pathway is necessary for intestinal cell homeostasis; thus only CRC-specific effectors of this pathway could be exploited as potential clinical targets. PROX1 is an evolutionary conserved transcription factor with multiple roles in several tissues in embryogenesis, and increasing relevance in cancer. PROX1 is a colon cancer-specific Wnt target in the intestine, thus it might represent a therapeutic target. The role of PROX1 in promoting the transition from early to highly-dysplastic adenoma was previously described [1], Importantly, tumor metastasis is a leading cause of cancer-related mortality. Frequently, micrometastases are already present in patients at the time of diagnosis, therefore better understanding of the mechanisms regulating growth of macrometastatic lesions is important for the development of novel treatment approaches. In this study we showed that PROX1 is expressed in colon cancer stem cell and promotes the outgrowth of metastatic lesions. Firstly, we analyzed the expression of PROX1 in advanced CRCs and their metastases. We found that PROX1 over-expression is a feature of microsatellite stable tumors (~85% of microsatellite stable (MSS) CRCs), which generally have worse prognosis in comparison to microsatellite unstable CRCs. Analysis of primary CRCs and corresponding metastatic lesions showed that PROX1 expression is conserved, or increased in metastases. Further bioinformatics analysis of tumor and metastases gene expression profiles showed that PROX1 is co- expressed with stem cell and progenitor markers. Moreover, in inducible ApcmLgr5-EGFP-lres-CreERT2 model, Prox1+ cells marked a sub-population of Lgr5+ stem cells and subsequent transient amplifying cell population. Orthotopic model of CRC and lung colonization assays in mice demonstrated that PROX1 promotes tumor cell outgrowth in metastatic lesions, while it has no effect on primary tumor growth, invasion, and survival in circulation or cell extravasation. In vitro, PROX1 expressing tumor cells demonstrated strongly increased capacity to form spheroids, and increased survival and proliferation under hypoxic or nutrient-deprivation conditions. By monitoring cellular respiration under these conditions, we found that PROX1 expressing cells exhibit a better metabolic adaptation to changes in fuel source. Autophagy inhibitors, prevented growth both in vitro and in vivo of PROX1 expressing cells. Importantly, conditional inactivation of PROX1 after the establishment of metastases prevented further growth of macroscopic lesions resulting in stable disease. In summary, we identified a novel mechanism underlying the ability of metastatic colon cancer stem and progenitor cells to survive and grow in target organs through metabolic adaptation. Our results establish PROX1 as a key factor of CRC metastatic disease where it promotes survival of metastatic colon cancer stem-like cells, through their metabolic adaptation in sub-optimal microenvironments - L'initiation et la progression de la plupart des cancers colorectaux (CRC) sont entraînées par une hyper-activation de la voie métabolique Wnt/ß- caténine/TCF. Toutefois, un niveau d'activation minimal de Wnt est nécessaire pour l'homéostasie des cellules intestinales ; ainsi seuls des effecteurs spécifiques du CRC- de cette voie pourraient être exploités comme des cibles cliniques potentielles. PROX1 est un facteur de transcription évolutif conservé avec de multiples rôles dans plusieurs tissus durant l'embryogenèse et une pertinence croissante dans le cancer. PROX1 est une cible Wnt spécifique dans le cancer de l'intestin, donc il pourrait représenter une cible thérapeutique. Le rôle de PROX1 durant l'évolution de la maladie d'un stade précoce jusqu'à l'adénome hautement dysplasique a été décrit précédemment. Surtout, la métastase des tumeurs est une cause majeure de mortalité liée au cancer. Souvent, les micro-métastases sont déjà présentes chez les patients au moment du diagnostic, c'est pourquoi une meilleure compréhension des mécanismes régulant la croissance des lésions macrométastatiques est importante pour le développement de nouvelles approches thérapeutiques. Dans cette étude, nous avons prouvé que PROX1 est exprimé dans les cellules souches du cancer du côlon et favorise l'apparition de lésions métastatiques. Nous avons d'abord analysé l'expression de PROX1 dans des CRC avancés ainsi que dans leurs métastases. Nous avons constaté que la surexpression de PROX1 est une caractéristique des tumeurs stables microsatellites (~85% du MSS CRC), qui ont généralement un pronostic défavorable par rapport aux microsatellites CRC instables. L'analyse des CRC primaires et de leurs métastases liées a montré que l'expression de PROX1 est conservée, voire augmentée dans les métastases. A l'aide d'une base de données de tumeurs et métastases, nous avons observé une co- régulation de PROX1 entre cellules souches et marqueurs de progéniteurs mais pas avec des cellules différenciées. De plus, en utilisant un modèle Apcm Lgr5-EGFP-IRES-CreERT2 inductible, les cellules Prox1+ ont marqué une sous-population de cellules LGR& capable de produire une lignée. Un modèle orthotopique de cancer colorectal et des essais de colonisation du poumon chez la souris ont démontré que PROX1 favorise l'excroissance des cellules tumorales dans les lésions métastatiques, alors qu'il n'a aucun effet sur la croissance tumorale primaire, l'invasion ou une extravasation des cellules. In vitro, les cellules tumorales exprimant PROX1 ont démontré une forte augmentation de leur capacité à former des sphéroïdes, ainsi qu'une augmentation de la survie et de la prolifération dans des conditions hypoxiques ou lors de privation de nutriments. En contrôlant la respiration cellulaire dans ces conditions, nous avons constaté que les cellules exprimant PROX1 présentent une meilleure adaptation métabolique à l'évolution des sources de carburant. Des inhibiteurs de l'autophagie, suggérant une approche thérapeutique potentielle, ont tué à la fois in vitro et in vivo les cellules exprimant PROX1. Surtout, l'inactivation conditionnelle de PROX1 après l'apparition de métastases a empêché la croissance des lésions macroscopiques résultant en une maladie stable. En résumé, nous avons identifié un nouveau mécanisme mettant en évidence la capacité des cellules souches du cancer du côlon métastatique à survivre et à se développer dans les organes cibles grâce à l'adaptation métabolique. Nos résultats définissent PROX1 comme un facteur clé du cancer colorectal métastatique en favorisant la survie des cellules souches métastatiques apparentées au cancer du colon grâce à leur adaptation métabolique aux microenvironnements défavorables.

Genome reconstruction and comparative genomics of pneumocystis jirovecii

Pneumocystis jirovecii is a fungus belonging to a basal lineage of the Ascomycotina, the Taphrinomycotina subphylum. It is a parasite specific to humans that dwells primarily in the lung and can cause severe pneumonia in individuals with debilitated immune system. Despite its clinical importance, many aspects of its biology remain poorly understood, at least in part because of the lack of a continuous in vitro cultivation system. The present thesis consists in the genome reconstruction and comparative genomics of P. jirovecii. It is made of three parts: (i) the de novo sequencing of P. jirovecii genome starting from a single broncho- alveolar lavage fluid of a single patient (ii) the de novo sequencing of the genome of the plant pathogen Taphrina deformans, a fungus closely related to P. jirovecii, and (iii) the genome scale comparison of P. jirovecii to other Taphrinomycotina members. Enrichment in P. jirovecii cells by immuno-precipitation, whole DNA random amplification, two complementary high throughput DNA sequencing methods, and in silico sorting and assembly of sequences were used for the de novo reconstruction of P. jirovecii genome from the microbiota of a single clinical specimen. An iterative ad hoc pipeline as well as numerical simulations was used to recover P. jirovecii sequences while purging out contaminants and assembly or amplification chimeras. This strategy produced a 8.1 Mb assembly, which encodes 3,898 genes. Homology searches, mapping on biochemical pathways atlases, and manual validations revealed that this genome lacks (i) most of the enzymes dedicated to the amino acids biosyntheses, and (ii) most virulence factors observed in other fungi, e.g. the glyoxylate shunt pathway and specific peptidases involved in the degradation of the host cell membrane. The same analyses applied to the available genomic sequences from Pneumocystis carinii the species infecting rats and Pneumocystis murina the species infecting mice revealed the same deficiencies. The genome sequencing of T. deformans yielded a 13 Mb assembly, which encodes 5,735 genes. T. deformans possesses enzymes involved plant cell wall degradation, secondary metabolism, the glyoxylate cycle, detoxification, sterol biosynthesis, as well as the biosyntheses of plant hormones such as abscisic acid or indole-3-acetic acid. T. deformans also harbors gene subsets that have counterparts in plant saprophytes or pathogens, which is consistent with its alternate saprophytic and pathogenic lifestyles. Mating genes were also identified. The homothallism of this fungus suggests a mating-type switching mechanism. Comparative analyses indicated that 81% of P. jirovecii genes are shared with eight other Taphrinomycotina members, including T. deformans, P. carinii and P. murina. These genes are mostly involved in housekeeping activities. The genes specific to the Pneumocystis genus represent 8%, and are involved in RNA metabolism and signaling. The signaling is known to be crucial for interaction of Pneumocystis spp with their environment. Eleven percent are unique to P. jirovecii and encode mostly proteins of unknown function. These genes in conjunction with other ones (e.g. the major surface glycoproteins) might govern the interaction of P. jirovecii with its human host cells, and potentially be responsible of the host specificity. P. jirovecii exhibits a reduced genome in size with a low GC content, and most probably scavenges vital compounds such as amino acids and cholesterol from human lungs. Consistently, its genome encodes a large set of transporters (ca. 22% of its genes), which may play a pivotal role in the acquisition of these compounds. All these features are generally observed in obligate parasite of various kingdoms (bacteria, protozoa, fungi). Moreover, epidemiological studies failed to evidence a free-living form of the fungus and Pneumocystis spp were shown to co-evolved with their hosts. Given also the lack of virulence factors, our observations strongly suggest that P. jirovecii is an obligate parasite specialized in the colonization of human lungs, and which causes disease only in individuals with compromised immune system. The same conclusion is most likely true for all other Pneumocystis spp in their respective mammalian host. - Pneumocystis jirovecii est un champignon appartenant à ine branche basale des Ascomycotina, le sous-embranchement des Taphrinomycotina. C'est un parasite spécifique aux humains qui réside principalement dans les poumons, et qui peut causer des pneumonies sévères chez des individus ayant un système immunitaire déficient. En dépit de son importance clinique, de nombreux aspects de sa biologie demeurent,largement méconnus, au moins en partie à cause de l'absence d'un système de culture in vitro continu. Cette thèse traite de la reconstruction du génome et de la génomique comparative de P. jirovecii. Elle comporte trois parties: (i) le séquençage de novo du génome de P. jirovecii à partir d'un lavage broncho-alvéolaire provenant d'un seul patient, (ii) le séquençage de novo du génome d'un champignon pathogène de plante Taphrina deformans qui est phylogénétiquement proche de P. jirovecii, et (iii) la comparaison du génome de P. jirovecii à celui d'autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Un enrichissement en cellules de P. jirovecii par immuno-précipitation, une amplification aléatoire des molécules d'ADN, deux méthodes complémentaires de séquençage à haut débit, un tri in silico et un assemblage des séquences ont été utilisés pour reconstruire de novo le génome de P. jirovecii à partir du microbiote d'un seul échantillon clinique. Un pipeline spécifique ainsi que des simulations numériques ont été utilisés pour récupérer les séquences de P. jirovecii tout en éliminant les séquences contaminants et les chimères d'amplification ou d'assemblage. Cette stratégie a produit un assemblage de 8.1 Mb, qui contient 3898 gènes. Les recherches d'homologies, de cartographie des voies métaboliques et des validations manuelles ont révélé que ce génome est dépourvu (i) de la plupart des enzymes dédiées à la biosynthèse des acides aminés, et (ii) de la plupart des facteurs de virulence observés chez d'autres champignons, par exemple, le cycle du glyoxylate ainsi que des peptidases spécifiques impliquées dans la dégradation de la membrane de la cellule hôte. Les analyses appliquées aux données génomiques disponibles de Pneumocystis carinii, l'espèce infectant les rats, et de Pneumocystis murina, l'espèce infectant les souris, ont révélé les mêmes déficiences. Le séquençage du génome de T. deformans a généré un assemblage de 13.3 Mb qui contient 5735 gènes. T. deformans possède les gènes codant pour les enzymes impliquées dans la dégradation des parois cellulaires des plantes, le métabolisme secondaire, le cycle du glyoxylate, la détoxification, la biosynthèse des stérols ainsi que la biosynthèse d'hormones de plantes telles que l'acide abscissique ou l'acide indole 3-acétique. T. deformans possède également des sous-ensembles de gènes présents exclusivement chez des saprophytes ou des pathogènes de plantes, ce qui est consistent avec son mode de vie alternatif saprophyte et pathogène. Des gènes impliqués dans la conjugaison ont été identifiés. L'homothallisme de ce champignon suggère mécanisme de permutation du type conjuguant. Les analyses comparatives ont démontré que 81% des gènes de P. jirovecii sont présent chez les autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Ces gènes sont essentiellement impliqués dans le métabolisme basai. Les gènes spécifiques au genre Pneumocystis représentent 8%, et sont impliqués dans le métabolisme de l'ARN et la signalisation. La signalisation est connue pour être cruciale pour l'interaction des espèces de Pneumocystis avec leur environnement. Les gènes propres à P. jirovecii représentent 11% et codent en majorité pour des protéines dont la fonction est inconnue. Ces gènes en conjonction avec d'autres (par exemple, les glycoprotéines de surface), pourraient être déterminants dans l'interaction de P. jirovecii avec les cellules de l'hôte humain, et être potentiellement responsable de la spécificité d'hôte. P. jirovecii possède un génome de taille réduite à faible pourcentage en GC et récupère très probablement des composés vitaux comme les acides aminés et le cholestérol à partir des poumons humains. De manière consistante, son génome code pour de nombreux transporteurs (22% de ses gènes), qui pourraient jouer un rôle essentiel dans l'acquisition de ces composés. Ces caractéristiques sont généralement observées chez les parasites obligatoires de plusieurs règnes (bactéries, protozoaires, champignons). De plus, les études épidémiologiques n'ont pas réussi à prouver l'existence d'ime forme vivant librement du champignon. Etant donné également l'absence de facteurs de virulence, nos observations suggèrent que P. jirovecii est un parasite obligatoire spécialisé dans la colonisation des poumons humains, ne causant une maladie que chez des individus ayant un système immunitaire compromis. La même conclusion est très probablement applicable à toutes les autres espèces de Pneumocystis dans leur hôte mammifère respectif.

Analyse de modèles murins adultes de régénération cardiaque

Résumé Le mammifère adulte possède des capacités de régénération tissulaire beaucoup plus limitées que celles des mammifères à l'âge foetal, ou d'autres vertébrés adultes comme les amphibiens urodèles et anuriens. Le mode de réparation tissulaire généralement utilisé par le mammifère adulte est la cicatrisation. Celle-ci suit un déroulement physio-pathologique très reproductible, qui a été le mieux décrit dans la peau, mais est également applicable à d'autres tissus comme le coeur en cas d'infarctus. Toutefois, le coeur de mammifère adulte semble posséder un certain potentiel régénérateur, bien qu'insuffisant pour réparer une lésion d'infarctus; en particulier, il contient des populations de cellules exprimant des marqueurs de surface des cellules souches hématopoiétiques comme l'antigène de cellules souches (stem cell antigen; Sca-1) ou le récepteur pour le facteur de cellules souches (stem cell factor; SCF), c-kit. Le comportement de ces cellules ressemble à de nombreux égards à celui de cellules souches adultes résidentes. D'autre part, un modèle mammifère adulte de régénération tissulaire, la souris NIRL, a été décrit ,récemment ; si cette souris répare. l'infarctus ischémique du ventricule gauche par cicatrisation, elle est par contre capable de régénérer complètement le myocarde après cryoinfarctus du ventricule droit, sans former la moindre cicatrice. Le but de cette thèse a été l'exploration par différentes approches des potentiels régénérateurs cardiaques après infarctus chez le mammifère adulte. La première approche choisie a été l'étude de la régénération myocardique chez la souris MRL. Il s'agissait de comprendre pourquoi la souris MRL régénère le coeur après cryoinfarctus du ventricule droit, et pas après infarctus ischémique du ventricule gauche, ainsi que d'élucider les mécanismes à la base de la régénération cardiaque chez cette souris. En utilisant le protocole original d'infarctus cryogénique du ventricule droit, nous n'avons pas observé de régénération cardiaque chez la souris MRL, qui a réparé l'infarctus par cicatrisation.- Nous avons ensuite modifié la sévérité du stimulus cryogénique, la localisation de la lésion cardiaque, et le type de lésion lui-même (infarctus ischémique induit par ligature coronarienne). En théorie, ces aspects expérimentaux sont les principaux facteurs pouvant influencer la réparation tissulaire. En utilisant cinq protocoles expérimentaux différents, nous n'avons pas observé de régénération cardiaque chez la souris MRL. Nous avons également analysé la prolifération cellulaire dans trois régions différentes du coeur à 15 et 40 jours après infarctus, et n'avons pas observé de différence entre la souris MRL et la souris contrôle C57B1/6. Quant à la composition en collagène de la cicatrice, elle est la même chez les deux souches de souris. Nos résultats ne peuvent donc pas confirmer la validité de ce modèle marin de régénération cardiaque récemment publié. Nous nous sommes alors tournés vers une deuxième approche d'étude du potentiel régénérateur du coeur de mammifère adulte, celle des cellules souches adultes résidentes. Nous avons isolé et purifié la population de cellules cardiaques qui expriment le marqueur de surface Sca-1 ;nous les avons maintenues en cultures pendant plusieurs dizaines de passages, et les avons ré-injectées dans le myocarde. Cette deuxième approche .ouvre la voie à l'étude de cellules souches cardiaques adultes candidates, ainsi qu'à la thérapie cellulaire de l'infarctus du myocarde. Summary Adult mammals possess limited tissue regeneration capacities as compared to foetal mammals or other adult vertebrates such as anurian and urodele amphibians. Usually, adult mammals heal tissues by scarring. The process of scarring is characterized by physiopathological events which have been best studied in skin; but which also occur in other organs like the heart. Nevertheless, the adult mammalian heart seems to possess a certain regenerative potential, though insufficient to efficiently repair infarct lesions. It indeed contains cell populations expressing haematopoietic stem cell surface markers such as Scat or c-kit. These cells behave in many ways like resident adult. stem cells. On the other hand; an adult mammalian model of tissue regeneration, the MRL mouse, has been recently described; although this mouse repairs an ischemic infarct of the left ventricle by scarring, it is able of fully regenerating a cryoinfarction of the right ventricle without scanning . The goal of this thesis was to explore the regenerative potential of the adult mammalian heart after infarction by using different approaches. A first approach was to study the myocardial regeneration in the MRL mouse. It was about understanding why this mouse regenerates a right ventricular cryoinfarction and not an ischemic infarction of the left ventricle, as well as elucidating the mechanisms underlying myocardial regeneration in this model. By using the original protocol of right ventricular cryoinfarction, we did not observe any heart regeneration in the MRL mouse, which healed the infarct by scarring. We then modified the intensity of the cryogenic stimulus, the site of lesion, and -the type of lesion itself (ischemic infarction by coronary artery ligation). In theory, these experimental aspects are the main factors likely to influence tissue repair. Although. we used five different protocols, we did not observe any regeneration in the MRL mouse. We also analysed cell proliferation in three different regions of the heart, at 15 and 40 days after infarction, and did not see any difference between the MRL and C57B1/6 mouse. Collagen content of the scar was shown to be the same in both strains. Our results cannot confirm the validity of this recently published model. We then chose another way to study the adult mammalian heart regenerative potential, by taking the adult resident stem cells approach. We isolated and purified a cardiac cell population expressing the Sca-1 surface marker; we kept these cells in culture for over 30 passages, and re-injected them into the myocardium. This second approach opens the way to candidate adult cardiac stem cell study, as well as cell therapy.

Regulation of the NaCI cotransporter by the SGK1-Nedd4-2 pathway

SummaryRegulation of renal Na+ transport is essential for controlling blood pressure, as well as Na+ and K+ homeostasis. Aldosterone stimulates Na+ reabsorption in the aldosterone-sensitive distal nephron (ASDN), via the Na+-CI" cotransporter (NCC) in the distal convoluted tubule (DCT), and the epithelial Na+ channel (ENaC) in the late DCT, connecting tubule and collecting duct. Importantly, aldosterone increases NCC protein expression by an unknown post-translational mechanism. The ubiquitin-protein ligase Nedd4-2 is expressed along the ASDN and regulates ENaC: under aldosterone induction, the serum/glucocorticoid-regulated kinase SGK1 phosphorylates Nedd4-2 on S328, thus preventing the Nedd4-2/ENaC interaction, ubiquitylation and degradation of the channel. Here, we present evidence that Nedd4-2 regulates NCC. In transfected HEK293 cells, Nedd4-2 co-immunoprecipitates with NCC and stimulates NCC ubiquitylation at the cell surface. In Xenopus laevis oocytes, co- expression of NCC with wild-type Nedd4-2, but not its catalytically inactive mutant, strongly decreases NCC activity and surface expression. This inhibition is prevented by SGK1 in a kinase-dependent manner. Moreover, we show that NCC expression is up-regulated in inducible renal tubule-specific Nedd4-2 knockout mice and in mDCT15 cells silenced for Nedd4-2. On the other hand, in inducible renal tubule-specific SGK1 knockout mice, NCC expression is down-regulated.Interestingly, in contrast to ENaC, Nedd4-2-mediated NCC inhibition is independent of a PY motif in NCC. Moreover, whereas single mutations of Nedd4-2 S328 or S222 to alanine do not interfere with SGK1 action, the double mutation enhances Nedd4-2 activity and abolishes SGK1-dependent inhibition. These results indicate that NCC expression and activity is controlled by a regulatory pathway involving SGK1 and Nedd4-2, and provides an explanation for the well-known aldosterone-induced increase in NCC protein expression.RésuméLa régulation du transport de sodium est cruciale dans le maintien de la pression artérielle. L'aldostérone stimule la réabsorption de Na+ dans la partie du néphron sensible à l'aldostérone (ASDN), via le co-transporteur Na+-CI" (NCC) au niveau du tubule contourné distale et via le canal à sodium (Epithelial Na+ Channel ; ENaC) dans la deuxième partie du tubule contourné distale, dans le tube connecteur et le tube collecteur. L'aldostérone augmente l'expression de NCC au niveau protéique par un mécanisme non élucidé. La protéine ubiquitine ligase Nedd4-2 est exprimée tout le long du néphron sensible à l'aldostérone. ENaC est connu pour être régulé par Nedd4-2. Suite à une stimulation par l'aldostérone, la kinase Ser/Thr SGK1 phosphoryle Nedd4-2, ce qui empêche l'interaction entre Nedd4-2 et ENaC. Dans des cellules HEK293 transfectées, nous avons montré que Nedd4-2 interagit avec le co-transporteur NCC et stimule l'ubiquitylation de NCC à la surface. Nous avons montré dans les oocytes de Xenopus laevis que l'expression de NCC avec Nedd4-2 diminue l'activité du co-transporteur. Cette diminution n'est pas observée lorsqu'on exprime NCC avec le mutant inactif de Nedd4-2. Cette inhibition de NCC est contrée par SGK1. L'effet de SGK1 sur NCC dépend de son activité kinase. Nous avons montré dans des souris knock-out pour Nedd4-2, dans le néphron et de manière inductible, que l'expression de NCC est augmentée. Nous avons également montré que la suppression de la protéine Nedd4-2 dans les cellules mDCT15 provoque l'augmentation de NCC. Au contraire dans les souris knock-out pour la kinase SGK1, dans le néphron et de manière inductible, nous observons une diminution de la protéine NCC. Contrairement à ce qui a été montré pour le canal ENaC l'inhibition de NCC par Nedd4-2 est indépendante des motifs PY. De plus, La mutation des sérines 328 ou 222 sur Nedd4-2 en alanine n'interfère pas avec l'action de SGK1 pour prévenir l'inhibition. Par contre, la double mutation, les sérines 222 et 328 mutées en alanine, augmente l'action de Nedd4-2 sur l'activité de NCC et prévient l'effet de SGK1. Ces résultats montrent que l'expression et l'activité de NCC sont contrôlées par une voie de régulation impliquant Nedd4-2-SGK1 et nous fournissent une explication pour l'augmentation de NCC observé après une induction avec l'aldostérone.Résumé large publicOn estime que des millions de personnes seraient hypertendues. L'hypertension artérielle est responsable d'environ 8 millions de décès par ans dans le monde. L'hypertension est responsable de la moitié environs des accidents cardiaques, mais aussi des accidents vasculaires cérébraux. Il est très important de comprendre les mécanismes qui se trouvent derrière cette pathologie.Le co-transporteur NCC joue un grand rôle dans le maintien de la balance sodique. Il a été montré que des perturbations dans l'expression de NCC pouvaient engendrer de l'hypertension.Le co-transporteur NCC est exprimé dans la partie distale du néphron, l'unité fonctionnelle du rein. Plusieurs études ont montrées que NCC était sous le contrôle de l'hormone aldostérone.Le travail de cette thèse consiste à étudier les mécanismes impliqués dans la régulation de NCC. On a ainsi pu montrer que NCC interagit avec la protéine ubiquitine ligase Nedd4-2. La protéine Nedd4-2 diminue l'expression de NCC à la surface cellulaire et aussi son activité Nous avons également montré que la kinase SGK1 pouvait prévenir l'interaction entre Nedd4-2 et NCC par phosphorylation de Nedd4-2. Nous avons montré dans des souris deletée pour Nedd4-2, dans le néphron, que l'expression de NCC est augmentée. Nous avons également montré que la suppression de la protéine Nedd4-2 dans les cellules mDCT15 provoque l'augmentation de NCC. Au contraire, dans les souris deletée pour la kinase SGK1, dans le néphron, nous observons une diminution de la protéine NCC. La connaissance des processus impliqués dans la régulation du co-transporteur NCC pourrait amener au développement de nouveau médicaments pour soigner l'hypertension.

Diagnosis of muscular dystrophies at the nanometer scale

The diagnosis of muscular dystrophies or the assessment of the functional benefit of gene or cell therapies can be difficult, especially for poorly accessible muscles, and it often lacks a singlefiber resolution. In the present study, we evaluated whether muscle diseases can be diagnosed from small biopsies using atomic force microscopy (AFM). AFM was shown to provide a sensitive and quantitative description of the resistance of normal and dystrophic myofibers within live muscle tissues explanted from Duchenne mdx mice. The rescue of dystrophin expression by gene therapy approaches led to the functional recovery of treated dystrophic muscle fibers, as probed using AFM and by in situ wholemuscle strength measurements. Comparison of muscles treated with viral or non-viral vectors indicated that the efficacy of the gene transfer approaches could be distinguished with a single myofiber resolution. This indicated full correction of the resistance to deformation in nearly all of the muscle fibers treated with an adeno-associated viral vector that mediates exon-skipping on the dystrophin mRNA. Having shown that AFM can provide a quantitative assessment of the expression of muscle proteins and of the muscular function in animal models, we assessed myofiber resistance in the context of human muscular dystrophies and myopathies. Thus, various forms of human Becker syndrome can also be detected using AFM in blind studies of small frozen biopsies from human patients. Interestingly, it also allowed the detection of anomalies in a fraction of the muscle fibers from patients showing a muscle weakness that could not be attributed to a known molecular or genetic defect. Overall, we conclude that AFM may provide a useful method to complement current diagnosis tools of known and unknown muscular diseases, in research and in a clinical context.

The role of Bmi1 in CNS development and in retinal degeneration

SUMMARY : The present work addresses several aspects of cell cycle regulation, cell fate specification and cell death in the central nervous system (CNS), specifically the cortex and the retina. More precisely, we investigated the role of Bmi1, a polycomb family gene required for stem cell proliferation and self-renewal, in the development of the cerebral cortex, as well as in the genesis of the retina. These data, together with studies published during the last two decades concerning cell cycle re-activation in apoptotic neurons in the CNS, raised the question of a possible link between regulation of the cell cycle during development and during retinal degeneration. 1. The effects of Bmi1 loss in the cerebral cortex : Consistently with our and others' observations on failure of Bmi9-/- stem cells to proliferate and self-renew in vitro, the Bmi9-/- cerebral cortex presented slight defects in proliferation in stem/progenitor cells compartments in vivo. This was in accordance with the pattern of Bmi1 expression in the developing forebrain. The modest proliferation defects, compared to the drastic consequences of Bmi9 loss in vitro, suggest that cell-extrinsic mechanisms may partially compensate for Bmi1 deletion in vivo during cortical histogenesis. Nevertheless, we observed a decreased proliferating activity in neurogenic regions of the adult telencephalon, more precisely in the subventricular zone, showing that Bmi1 controls neural stem/progenitor proliferation during adulthood in vivo. Our data also highlight an increased production of astrocytes at birth, and a generalized gliosis in the adult Bmi9-/- brain. Importantly, glial progenitors and astrocytes retained the ability to proliferate in the absence of Bmi1. 2. The effects of Bmi1 loss in the retina : The pattern of expression of Bmi1 during development and in the adult retina suggests a role for Bmi1 in cell fate specification and differentiation rather than in proliferation. While the layering and the global structure of the retina appear normal in Bmi1 /adult mice, immunohistochemìcal analysis revealed defects in the three major classes of retinal interneurons, namely: horizontal, bipolar and amacrine cells. Electroretinogram recordings in Bmi9-/- mice are coherent with the defects observed at the histological level, with a reduced b-wave and low-profile oscillatory potentials. These results show that Bmi1 controls not only proliferation, but also cell type generation, as previously observed in the cerebellum. 3. Cell cycle events and related neuroprotective strategies in retinal degeneration : In several neurodegenerative disorders, neurons re-express cell cycle proteins such as cyclin dependent kinases (Cdks) prior to apoptosis. Here, we show for the first time that this is also the case during retinal degeneration. Rd1 mice carry a recessive defect (Pdeóbrd/rd) that causes retinal degeneration and serves as a model of retinitis pigmentosa. We found that photoreceptors express Cdk4 and Cdk2, and undergo DNA synthesis prior to cell death. To interfere with the reactivation of Cdk-related pathways, we deleted E2fs or Brni1, which normally allow cell cycle progression. While deleting E2f1 (downstream of Cdk4/6) in Rd1 mice provides only temporary protection, knocking out Bmi1 (upstream of Cdks) leads to an extensive neuroprotective effect, independent of p16ink4a or p19arf, two tumor suppressors regulated by Bmi1. Analysis of Cdks and the DNA repair-related protein Ligase IV showed that Bmi1 acts downstream of DNA repair events and upstream of Cdks in this neurodegenerative mechanism. Expression of Cdks during an acute model of retinal degeneration, light damage-induced photoreceptor death, points to a role for Bmi1 and cell cycle proteins in retinal degeneration. Considering the similarity with the cell cycle-related apoptotic pathway observed in other neurodegenerative diseases, Bmi1 is a possible general target to prevent or delay neuronal death. RESUME : Ce travail aborde plusieurs aspects de la régulation du cycle cellulaire, de la spécification du devenir des cellules et de la mort cellulaire dans le système nerveux centrale (SNC), plus particulièrement dans le cortex cérébral et dans la rétine. Nous nous sommes intéressés au gène Bmi1, appartenant à la famille polycomb et nécessaire à la prolifération et au renouvellement des cellules souches. Nous avons visé à disséquer son rôle dans le développement du cortex et de la rétine. Ces données, ainsi qu'une série de travaux publiés au cours des deux dernières décennies concernant la réactivation du cycle cellulaire dans les neurones en voie d'apoptose dans le SNC, nous ont ensuite poussé à chercher un lien entre la régulation du cycle cellulaire pendant le développement et au cours de la dégénérescence rétinienne. 1. Les effets de l'inactivation de Bmi1 dans le cortex cérébral : En accord avec l'incapacité des cellules souches neurales in vitro à proliférer et à se renouveler en absence de Bmi1, le cortex cérébral des souris Bmi1-/- présente de légers défauts de prolifération dans les compartiments contenant les cellules souches neurales. Ceci est en accord avec le profil d'expression de Bmi1 dans le télencéphale. Les conséquences de la délétion de Bmi1 sont toutefois nettement moins prononcées in vivo qu'in vitro ; cette différence suggère l'existence de mécanismes pouvant partiellement compenser l'absence de Bmi1 pendant la corticogenèse. Néanmoins, l'observation d'une réduction de la prolifération dans la zone sous-ventriculaire, la zone majeure de neurogenèse dans le télencéphale adulte, montre que Bmi1 contrôle la prolifération des cellules souche/progénitrices neurales chez la souris adulte. Nos résultats démontrent par ailleurs une augmentation de la production d'astrocytes à la naissance ainsi qu'une gliose généralisée à l'état adulte chez les souris Bmi1-/-. Les progéniteurs gliaux et les astrocytes conservent donc leur capacité à proliférer en absence de Bmi1. 2. Les effets de l'inactivation de Bmi1 dans la rétine : Le profil d'expression de Bmi1 pendant fe développement ainsi que dans la rétine adulte suggère un rôle de Bmi1 dans la spécification de certains types cellulaires et dans la différentiation plutôt que dans la prolifération. Alors que la structure et la lamination de la rétine semblent normales chez les souris Bmi1-/-, l'analyse par immunohistochimie amis en évidence des défauts au niveau des trois classes d'interneurones rétiniens (les cellules horizontales, bipolaires et amacrines). Les électrorétinogrammes des souris Bmi1-/- sont cohérents avec les défauts observés au niveau histologique et montrent une réduction de l'onde « b » et des potentiels oscillatoires. Ces résultats montrent que Bmi1 contrôle la génération de certaines sous-populations de neurones, comme démontré auparavant au niveau de cervelet. 3. Réactivation du cycle cellulaire et stratégies théraoeutiaues dans les dégénérescences rétiniennes : Dans plusieurs maladies neurodégénératives, les neurones ré-expriment des protéines du cycle cellulaire telles que les kinases cycline-dépendantes (Cdk) avant d'entrer en apoptose. Nous avons démontré que c'est aussi le cas dans les dégénérescences rétiniennes. Les souris Rd1 portent une mutation récessive (Pde6brd/rd) qui induit une dégénérescence de la rétine et sont utilisées comme modèle animal de rétinite pigmentaire. Nous avons observé que les photorécepteurs expriment Cdk4 et Cdk2, et entament une synthèse d'ADN avant de mourir par apoptose. Pour interférer avec la réactivation les mécanismes Cdk-dépendants, nous avons inactivé les gènes E2f et Bmi1, qui permettent normalement la progression du cycle cellulaire. Nous avons mis en évidence que la délétion de E2f1 (en aval de Cdk4/6) dans les souris Rd1 permet une protection transitoire des photorécepteurs. Toutefois, l'inactivation de Bmi1 (en amont des Cdk) est corrélée à une neuroprotection bien plus durable et ceci indépendamment de p16ink4a et p19arf, deux suppresseurs de tumeurs normalement régulés par Bmi1. L'analyse des Cdk et de la ligase IV (une protéine impliquée dans les mécanismes de réparation de l'ADN) a montré que Bmi1 agit en aval des événements de réparation de l'ADN et en amont des Cdk dans la cascade apoptotique dans les photorécepteurs des souris Rd1. Nous avons également observé la présence de Cdk dans un modèle aigu de dégénérescence rétinienne induit par une exposition des animaux à des niveaux toxiques de lumière. Nos résultats suggèrent donc un rôle général de Bmi1 et des protéines du cycle cellulaire dans les dégénérescences de la rétine. Si l'on considère la similarité avec les événements de réactivation du cycle cellulaire observés dans d'autres maladies neurodégénératives, Bmi1 pourrait être une cible thérapeutique générale pour prévenir la mort neuronale.

Implication of TNF family members in the immune response to the infection with the intracellular protozoan parasite "Leishmania major"

Suite à une infection avec le protozoaire Leishmania major (L. major), les souris sensibles de souche BALB/c développent des lésions progressives associées à une maturation des cellules CD4+ TH2 sécrétant de l'IL-4. A l'inverse, les souris résistantes de souche C57BL/6 guérissent à terme, sous l'influence de l'expansion des cellules CD4+ TH1 produisant de l'IFNy qui a un effet synergique avec le TNF ("tumor necrosis factor") sur l'activation des macrophages et leur fonction leishmanicide. Lors de notre étude nous avons montré que des souris C57BL/6 doublement déficientes en TNF et FasL ("Fas ligand") infectées par L. major ne guérissaient ni leur lésions ni ne contrôlaient la réplication de parasites malgré une réponse de type TH1. Bien que l'activité de synthétase inductible de l'oxyde nitrique ("iNOs") soit comparable chez les souris doublement ou simplement déficientes, seules celles déficientes en FasL ont démontré une incapacité à contrôler la réplication parasitaire. De surcroît il est apparu que le FasL a un effet synergique avec l'IFNy. L'adjonction de FasL à une culture cellulaire de macrophages stimulés par l'IFNy conduit à une activation de ces cellules. Celle-ci est démontrée par l'augmentation de la production de TNF et de NO par les macrophages ainsi que par l'élimination des parasites intracellulaires par ces mêmes cellules. Alors que le FasL et l'IFNy semblent essentiels au contrôle de la réplication des pathogènes intracellulaires, la contribution de TNF s'oriente davantage vers le contrôle de l'inflammation. L'activation macrophagique via Fas précède la mort cellulaire qui survient quelques jours plus tard. Cette mort cellulaire programmée était indépendante de la cascade enzymatique des caspases, au vu de l'absence d'effet de l'inhibiteur non-spécifique ZVAD-fmk des caspases. Ces résultats suggèrent que l'interaction Fas-FasL agit comme une costimulation nécessaire à une activation efficace des macrophages, la mort cellulaire survenant consécutivement à l'activation des macrophages.¦-¦Upon infection with the protozoan parasite Leishmania major (L. major), susceptible BALB/c mice develop non healing lesions associated with the maturation of CD4+ TH2 cells secreting IL-4. In contrast, resistant C57BL/6 mice are able to heal their lesions, because of CD4+ TH1 cell expansion and production of high levels of IFNy, which synergizes with tumour necrosis factor (TNF) in activating macrophages to their microbicidal state. In our study we showed that C57BL/6 mice lacking both TNF and Fas ligand (FasL) infected with L. major neither resolved their lesions nor controlled L. major replication despite a strong TH1 response. Although comparable inducible nitric oxide synthase (iNOs) was measured in single or double deficient mice, only mice deficient in FasL failed to control the parasite replication. Moreover FasL synergized with IFNy for the induction of leishmanicidal activity within macrophages infected with L. major in vitro. Addition of FasL to IFNy stimulated macrophages led to their activation, as reflected by the secretion of tumour necrosis factor and nitrite oxide, as well as the induction of their microbicidal activity, resulting in the killing of intracellular L. major. While FasL along with IFNy and iNOs appeared to be essential for the complete control of intracellular pathogen replication, the contribution of TNF appeared more important in controlling the inflammation on the site of infection. Macrophage activation via Fas pathway preceded cell death, which occurred a few days after Fas mediated activation. This program cell death was independent of caspase enzymatic activities as revealed by the lack of effect of ZVAD-fmk, a pan-caspase inhibitor. These results suggested that the Fas-FasL pathway, as part of the classical activation pathway of the macrophages, is essential in the stimulation of macrophage leading to a microbicidal state and to AICD, and may thus contribute to the pathogenesis of L. major infection.

Hypolipidemic therapeutics and muscle metabolism

Summary : Lipid metabolism disorders, leading to obesity and cardiovascular diseases, are a major public health issue worldwide. These diseases have been treated by drugs and surgery, leading to tremendous costs and secondary morbidity. The aim of this thesis work is to investigate the mechanisms of actions of a new, micronutrition-based, approach to prevent obesity and cardiovascular diseases. This specific combination of micronutrients, Lipistase, incorporated into any dietary ail can be used in the daily food. Micronutrients are substances used by the living organism in small quantities to maintain physiological homeostasis. However, the human body is not able to produce them and has to obtain them from dietary sources. The combination of micronutrients investigated here, is composed of 26 compounds including trace elements, vitamins, minerals, ails and plant extracts, known to have individually a beneficial effect on lipid metabolism regulation. These specific micronutrients are used for the first time in a combinatorial mode targeting several metabolic pathways for better homeostasis control as opposed to a single target treatment, either chemical or natural. Short and long term studies, in different mouse strains, showed a significant decrease in plasma triglycerides, body weight gain and body fat mass in animals that were fed with a standard diet containing Lipistase. Additionally, a greatly reduced fat accumulation was observed in adipose tissue and liver of Lipistase-treated animals, while lipid and glucose utilization by skeletal muscle was enhanced. Moreover, the size of atherosclerotic plaques was significantly reduced in mice whose masher was treated during pregnancy and suckling, without showing any adverse effect. Finally, Lipistase has been shown to increase longevity by 20%. The control mice that did not receive Lipistase in their diet did not show all these beneficial effects. These micronutrients are used at the lowest dosage ever reported for treating Lipid disorders, resulting in far much lower costs as well as probably a higher safety. This is the first approach being very suitable for an effective large scale prevention policy for obesity and cardiovascular diseases, like iodine in dietary salt has been for goiter. Résumé : Les dysrégulations du métabolisme des lipids, à l'origine d'obésité et de maladies cardiovasculaires, sont un problème de santé publique majeur et mondial. Ces maladies impliquent des traitements médicamenteux et chirurgicaux dont le coût la morbidité secondaire sont très important. Le but de ce travail de thèse est d'étudier les mécanismes d'action d'une nouvelle approche préventive, basée sur la micronutrition. Cette combinaison spécifique de micronutriments, Lipistase, peut être incorporée dans n'importe quelle huile alimentaire et utilisée dans l'alimentation quotidienne. Les micronutrirnents sont des substances essentielles, à très faibles doses, pour le maintien de l'homéostasie physiologique des organismes vivants. Cependant, étant incapable de les synthétiser, le corps humain est dépendant en cela de l'apport alimentaire. La combinaison de micronutriments que nous avons étudié contient 26 composants, incluant des extraits de plantes, des huiles, des vitamines, des métaux et des minéraux, tous connus pour avoir individuellement des effets bénéfiques sur la régulation du métabolisme des lipides. Ces micronutriments spécifiques sont utilisés pour la première fois en mode combinatoire, ciblant ainsi plusieurs voies métaboliques pour un meilleur control de l'homéostasie, par opposition monothérapies chimiques ou naturelles. Des expériences de court et long terme, avec divers modèles de souris, ont montré une diminution significative des taux de triglycérides plasmatiques, de la prise de poids et de la masse graisseuse corporelle chez les animaux qui ont reçu Lipistase dans la nourriture standard. Une accumulation significativement moins importante des graisses a été observée dans le tissu adipeux et hépatique des souris traitées, alors que l'utilisation des lipides et glucose a été favorisée dans le muscle. En outre, la taille des plaques d'athérosclérose aété significativement réduite chez les souris dont la mère a été traitée pendant la grossesse et l'allaitement, sans montrer aucun effet indésirable. Enfin, les souris traitées par Lipistase ont vécu 20% plus longtèmps. Les souris contrôles qui n'ont pas reçu Lipistase dans la nourriture n'ont montré aucun de ces effets bénéfiques. Ces micronutriments sont utilisés au dosage le plus faible jamais rapporté pour le traitement des maladies du métabolisme lipidique, permettant ainsi un coût plus faible et surtout une meilleure sécurité. C'est une approche adéquate pour une politique de prévention de santé publique à large échelle de l'obésité et des maladies cardiovasculaires. C'est en cela et sous bien d'autres aspects, une première dans la prise en charge des maladies du métabolisme lipidique et pourrait même être pour ces dernières ce que l'iode du sel de cuisine a été pour le goitre.

Gliotransmission in the hippocampus, mechanisms and interaction with synaptic functions

SUMMARYAstrocytes represent the largest cell population in the human brain. In addition to a well established role as metabolic support for neuronal activity, in the last years these cells have been found to accomplish other important and, sometimes, unexpected functions. The tight enwrapping of synapses by astrocytic processes and the predominant expression of glutamate uptake carriers in the astrocytic rather than neuronal plasma membranes brought to the definition of a critical involvement of astrocytes in the clearance of glutamate from synaptic junctions. Moreover, several publications showed that astrocytes are able to release chemical transmitters (gliotransmitters) suggesting their active implication in the control of synaptic functions. Among gliotransmitters, the best characterized is glutamate, which has been proposed to be released from astrocytes in a Ca2+ dependent manner via exocytosis of synaptic-like microvesicles.In my thesis I present results leading to substantial advancement of the understanding of the mechanisms by which astrocytes modulate synaptic activity in the hippocampus, notably at excitatory synapses on dentate granule cells. I show that tumor necrosis factor- alpha (TNFa), a molecule that is generally involved in immune system functions, critically controls astrocyte-to-synapse communication (gliotransmission) in the brain. With constitutive levels of TNFa present, activation of purinergic G protein-coupled receptors in astrocytes, called P2Y1 receptors, induces localized intracellular calcium ([Ca2+]j) elevation in astrocytic processes (measured by two-photon microscopy) followed by glutamate release and activation of pre-synaptic NMDA receptors resulting in synaptic potentiation. In preparations lacking TNFa, astrocytes respond with identical [Ca2+]i elevations but fail to induce neuromodulation. I find that TNFa specifically controls the glutamate release step of gliotransmission. Addition of very low (picomolar) TNFa concentrations to preparations lacking the cytokine, promptly reconstitutes both normal exocytosis in cultured astrocytes and gliotransmission in hippocampal slices. These data provide the first demonstration that gliotransmission and its synaptic effects are controlled not only by astrocyte [Ca2+]i elevations but also by permissive/homeostatic factors like TNFa.In addition, I find that higher and presumably pathological TNFa concentrations do not act just permissively but instead become direct and potent triggers of glutamate release from astrocytes, leading to a strong enhancement of excitatory synaptic activity. The TNFa action, like the one observed upon P2Y1R activation, is mediated by pre-synaptic NMDA receptors, but in this case the effect is long-lasting, and not reversible. Moreover, I report that a necessary molecular target for this action of TNFa is TNFR1, one of the two specific receptors for the cytokine, as I found that TNFa was unable to induce synaptic potentiation when applied in slices from TNFR1 knock-out (Tnfrlv") mice. I then created a double transgenic mouse model where TNFR1 is knocked out in all cells but can be re-expressed selectively in astrocytes and I report that activation of the receptors in these cells is sufficient to reestablish TNFa-dependent long-lasting potentiation of synaptic activity in the TNFR1 knock-out mice.I therefore discovered that TNFa is a primary molecule displaying both permissive and instructive roles on gliotransmission controlling synaptic functions. These reports might have profound implications for the understanding of both physiological and pathological processes associated to TNFa production, including inflammatory processes in the brain.RÉSUMÉLes astrocytes sont les cellules les plus abondantes du cerveau humain. Outre leur rôle bien établi dans le support métabolique de l'activité neuronale, d'autres fonctions importantes, et parfois inattendues de ces cellules ont été mises en lumière au cours de ces dernières années. Les astrocytes entourent étroitement les synapses de leurs fins processus qui expriment fortement les transporteurs du glutamate et permettent ainsi aux astrocytes de jouer un rôle critique dans l'élimination du glutamate de la fente synaptique. Néanmoins, les astrocytes semblent être capables de jouer un rôle plus intégratif en modulant l'activité synaptique, notamment par la libération de transmetteurs (gliotransmetteurs). Le gliotransmetteur le plus étudié est le glutamate qui est libéré par l'exocytose régulée de petites vésicules ressemblant aux vésicules synaptiques (SLMVs) via un mécanisme dépendant du calcium.Les résultats présentés dans cette thèse permettent une avancée significative dans la compréhension du mode de communication de ces cellules et de leur implication dans la transmission de l'information synaptique dans l'hippocampe, notamment des synapses excitatrices des cellules granulaires du gyrus dentelé. J'ai pu montrer que le « facteur de nécrose tumorale alpha » (TNFa), une cytokine communément associée au système immunitaire, est aussi fondamentale pour la communication entre astrocyte et synapse. Lorsqu'un niveau constitutif très bas de TNFa est présent, l'activation des récepteurs purinergiques P2Y1 (des récepteurs couplés à protéine G) produit une augmentation locale de calcium (mesurée en microscopie bi-photonique) dans l'astrocyte. Cette dernière déclenche ensuite une libération de glutamate par les astrocytes conduisant à l'activation de récepteurs NMDA présynaptiques et à une augmentation de l'activité synaptique. En revanche, dans la souris TNFa knock-out cette modulation de l'activité synaptique par les astrocytes n'est pas bien qu'ils présentent toujours une excitabilité calcique normale. Nous avons démontré que le TNFa contrôle spécifiquement l'exocytose régulée des SLMVs astrocytaires en permettant la fusion synchrone de ces vésicules et la libération de glutamate à destination des récepteurs neuronaux. Ainsi, nous avons, pour la première fois, prouvé que la modulation de l'activité synaptique par l'astrocyte nécessite, pour fonctionner correctement, des facteurs « permissifs » comme le TNFa, agissant sur le mode de sécrétion du glutamate astrocytaire.J'ai pu, en outre, démontrer que le TNFa, à des concentrations plus élevées (celles que l'on peut observer lors de conditions pathologiques) provoque une très forte augmentation de l'activité synaptique, agissant non plus comme simple facteur permissif mais bien comme déclencheur de la gliotransmission. Le TNFa provoque 1'activation des récepteurs NMD A pré-synaptiques (comme dans le cas des P2Y1R) mais son effet est à long terme et irréversible. J'ai découvert que le TNFa active le récepteur TNFR1, un des deux récepteurs spécifiques pour le TNFa. Ainsi, l'application de cette cytokine sur une tranche de cerveau de souris TNFR1 knock-out ne produit aucune modification de l'activité synaptique. Pour vérifier l'implication des astrocytes dans ce processus, j'ai ensuite mis au point un modèle animal doublement transgénique qui exprime le TNFR1 uniquement dans les astrocytes. Ce dernier m'a permis de prouver que l'activation des récepteurs TNFR1 astrocytaires est suffisante pour induire une augmentation de l'activité synaptique de manière durable.Nous avons donc découvert que le TNFa possède un double rôle, à la fois un rôle permissif et actif, dans le contrôle de la gliotransmission et, par conséquent, dans la modulation de l'activité synaptique. Cette découverte peut potentiellement être d'une extrême importance pour la compréhension des mécanismes physiologiques et pathologiques associés à la production du TNFa, en particulier lors de conditions inflammatoires.RÉSUMÉ GRAND PUBLICLes astrocytes représentent la population la plus nombreuse de cellules dans le cerveau humain. On sait, néanmoins, très peu de choses sur leurs fonctions. Pendant très longtemps, les astrocytes ont uniquement été considérés comme la colle du cerveau, un substrat inerte permettant seulement de lier les cellules neuronales entre elles. Il n'y a que depuis peu que l'on a découvert de nouvelles implications de ces cellules dans le fonctionnement cérébral, comme, entre autres, une fonction de support métabolique de l'activité neuronale et un rôle dans la modulation de la neurotransmission. C'est ce dernier aspect qui fait l'objet de mon projet de thèse.Nous avons découvert que l'activité des synapses (régions qui permettent la communication d'un neurone à un autre) qui peut être potentialisée par la libération du glutamate par les astrocytes, ne peut l'être que dans des conditions astrocytaires très particulières. Nous avons, en particulier, identifié une molécule, le facteur de nécrose tumorale alpha (TNFa) qui joue un rôle critique dans cette libération de glutamate astrocytaire.Le TNFa est surtout connu pour son rôle dans le système immunitaire et le fait qu'il est massivement libéré lors de processus inflammatoires. Nous avons découvert qu'en concentration minime, correspondant à sa concentration basale, le TNFa peut néanmoins exercer un rôle indispensable en permettant la communication entre l'astrocyte et le neurone. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus physiologique qui permet d'intégrer la communication astrocyte/neurone au fonctionnement général du cerveau. Par ailleurs, nous avons également démontré qu'en quantité plus importante, le TNFa change son mode de fonctionnement et agit comme un stimulateur direct de la libération de glutamate par l'astrocyte et induit une activation persistante de l'activité synaptique. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus pathologique.Nous sommes également arrivés à ces conclusions grâce à la mise en place d'une nouvelle souche de souris doublement transgéniques dans lesquelles seuls les astrocytes (etnon les neurones ou les autres cellules cérébrales) sont capables d'être activés par le TNFa.

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.