Ophtalmologie. Thérapie génique des rétinopathies héréditaires: premiers résultats [Gene therapy for hereditary eye diseases: where are we?]

Les résultats préliminaires de trois essais cliniques de thérapie génique d'une forme agressive de rétinite pigmentaire (l'amaurose congénitale de Leber) ont prouvé que le traitement des maladies dégénératives de la rétine par transfert de gène peut être sûr et efficace pour rétablir une fonction visuelle. Il faudra encore attendre les résultats à long terme de ces études pour que soit définitivement validée cette approche thérapeutique. Dans l'intervalle, il importe de se préparer à son introduction en ophtalmologie de façon à la rendre accessible à nos malades. Pratiquement cela revient à promouvoir: 1) le recrutement; 2) la caractérisation du phénotype et du génotype des sujets atteints et 3) la constitution d'un registre des rétinopathies héréditaires. Recently, preliminary results of three clinical gene therapy trials for early onset retinitis pigmentosa--Leber congenital amaurosis--suggested that treating this degenerative retinal disease by gene transfection can be safe and efficient to restore a visual function. The definitive validation of this therapeutic approach depends on the long-term results. The forthcoming availability of gene therapy in ophthalmology prompts the implementation: of 1) recruitment, 2) phenotyping and genotyping of affected patients, 3) and creation of a hereditary retinopathy registry.

The role of Pten in the Hematopoietic System and the Hematopoietic Stem Cells

Résumé Identification, localisation et activation des cellules souches hématopoiétiques dormantes in vivo Les cellules souches somatiques sont présentes dans la majorité des tissus régénératifs comme la peau, l'épithélium intestinal et le système hématopoiétique. A partir d'une seule cellule, elles ont les capacités de produire d'autres cellules souches du même type (auto-renouvellement) et d'engendrer un ensemble défini de cellules progénitrices différenciées qui vont maintenir ou réparer leur tissu hôte. Les cellules souches adultes les mieux caractérisées sont les cellules souches hématopoiétiques (HSC), localisées dans la moelle osseuse. Un des buts de mon travail de doctorat était de caractériser plus en profondeur la localisation des HSCs endogènes in vivo. Pour ce faire, la technique "label retaining assay", se basant sur la division peu fréquentes et sur la dormance des cellules souches, a été utilisée. Après un marquage des souris avec du BrdU (analogue à l'ADN) suivi d'une longue période sans BrdU, les cellules ayant incorporés le marquage ("label retaining cells" LCRs) ont pu être identifiées dans la moelle osseuse. Ces cellules LCRs étaient enrichies 300 fois en cellules de phenotype HSC et, en utilisant de la cytofluorométrie, il a pu être montré qu'environ 15% de toutes les HSCs d'une souris restent dormantes durant plusieures semaines. Ces HSCs dormantes à long terme ne sont probablement pas impliquées dans la maintenance de 'hématopoièse. Par contre, on assiste à l'activation rapide de ces HSCs dormantes lors d'une blessure, comme une ablation myéloide. Elles re-entrent alors en cycle cellulaire et sont essentielles pour une génération rapide des cellules progénitrices et matures qui vont remplacer les cellules perdues. De plus, la détection des LCRs, combinée avec l'utilisation du marqueur de HSCs c-kit, peut être utilisée pour la localisation des HSCs dormantes présentes dans la paroi endostéale de la cavité osseuse. De manière surprenante, les LCRs c-kit+ ont surtout étés trouvées isolées en cellule unique, suggérant que le micro-environement spécifique entourant et maintenant les HSCs, appelé niche, pourrait être très réduit et abriter une seule HSC par niche. Rôles complexes du gène supresseur de tumeur Pten dans le système hématopoiétique La phosphatase PTEN disparaît dans certains cancers héréditaires ou sporadiques humains, comme les gliomes, les cancers de l'utérus ou du sein. Pten inhibe la voie de signalisation de la PI3-kinase et joue un rôle clé dans l'apoptose, la croissance, la prolifération et la migration cellulaire. Notre but était d'étudier le rôle de Pten dans les HSC normale et durant la formation de leucémies. Pour ce faire, nous avons généré un modèle murin dans lequel le gène Pten peut être supprimé dans les cellules hématopoiétiques, incluant les HSCs. Ceci a été possible en croissant l'allèle conditionnelle ptenflox soit avec le transgène MxCre inductible par l'interféron α soit avec le transgène Scl-CreERt inductible par le tamoxifen. Ceci permet la conversion de l'allèle ptenflox en l'allèle nul PtenΔ dans les HSCs et les autres types cellulaires hématopoiétiques. Les souris mutantes Pten développent une splénomégalie massive causée par une expansion dramatiques de toutes les cellules myéloides. De manière interessante, alors que le nombre de HSCs dans la moelle osseuse diminue progressivement, le nombre des HSCs dans la rate augmente de manière proportionnelle. Etrangement, les analyses de cycle cellulaire ont montrés que Pten n'avait que peu ou pas d'effet sur la dormance des HSCs ou sur leur autorenouvellement. En revanche, une augmentation massive du niveau de la cytokine de mobilisation G-CSF a été détéctée dans le serum sanguin, suggérant que la suppression de Pten stimulerait la mobilisation et la migration des HSC de la moelle osseuse vers la rate. Finallement, la transplantation de moelle osseuse délétée en Pten dans des souris immuno-déficientes montre que Pten fonctionnerait comme un suppresseur de tumeur dans le système hématopoiétique car son absence entraîne la formation rapide de leucémies lymphocytaires. Summary Identification, localization and activation of dormant hematopoietic stun cells in vivo Somatic stem cells are present in most self-renewing tissues including the skin, the intestinal epithelium and the hematopoietic system. On a single cell basis they have the capacity to produce more stem cells of the same phenotype (self-renewal) and to give rise to a defined set of mature differentiated progeny, responsible for the maintenance or repair of the host tissue. The best characterized adult stem cell is the hematopoietic stem cell (HSC) located in the bone marrow. One goal of my thesis work was to further characterize the location of endogenous HSCs in vivo. To do this, a technique called "label retaining assay» was used which takes advantage of the fact that stem cells (including HSCs) divide very infrequently and can be dormant for months. After labeling mice with the DNA analogue BrdU followed by a long BrdU free "chase", BrdU "label retaining cells" (CRCs) could be identified in the bone marrow. These CRCs were 300-fold enriched for phenotypic HSCs and by using flow cytometry analysis it could be shown that about 15% of all HSCs in the mouse are dormant for many weeks. Our results suggest that these long-term dormant HSCs are unlikely to be involved in homeostatic maintenance. However they are rapidly activated and reenter the cell cycle in response to injury signals such as myeloid ablation. In addition, detection of LRCs in combination with the HSC marker c-Kit could be used to locate engrafted dormant HSCs close to the endosteal lining of the bone marrow cavities. Most surprisingly, c-Kit+LRCs were found predominantly as single cells suggesting that the specific stem cell maintaining microenvironment, called niche, has limited space and may house only single HSCs. Complex roles of the tumor suppressor gene Pten in the hematopoietic system. The phosphatase PTEN is lost in hereditary and sporadic forms of human cancers, including gliomas, endometrial and breast cancers. Pten inhibits the PI3-kina.se pathway and plays a key role in apoptosis, cell growth, proliferation and migration. Our aim was to study the role of Pten in normal HSCs and during leukemia formation. To do this, we generated a mouse model in which the Pten gene can be deleted in hematopoietic cells including HSCs. This was achieved by crossing the conditional ptenflox allele with either the interferona inducible MxCre or the tamoxifen inducible Scl-CreERT transgene. This allowed the conversion of the ptenflox allele into a pterr' null allele in HSCs and other hematopoietic cell types. As a result Pten mutant mice developed massive splenomegaly due to a dramatic expansion of all myeloid cells. Interestingly, while the number of bone marrow HSCs progressively decreased, the number of HSCs in the spleen increased to a similar extent. Unexpectedly, extensive cell cycle analysis showed that Pten had little or no effect on HSC dormancy or HSC self-renewal. Instead, dramatically increased levels of the mobilizing cytokine G-CSF were detected in the blood serum suggesting that loss-of Pten stimulates mobilization and migration of HSC from the BM to the spleen. Finally, transplantation of Pten deficient BM cells into immuno-compromised mice showed that Pten can function as a tumor suppressor in the hematopoietic system and that its absence leads to the rapid formation of T cell leukemia.

IL-13 induces expression of CD36 in human monocytes through PPARgamma activation.

The class B scavenger receptor CD36 is a component of the pattern recognition receptors on monocytes that recognizes a variety of molecules. CD36 expression in monocytes depends on exposure to soluble mediators. We demonstrate here that CD36 expression is induced in human monocytes following exposure to IL-13, a Th2 cytokine, via the peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)gamma pathway. Induction of CD36 protein was paralleled by an increase in CD36 mRNA. The PPARgamma pathway was demonstrated using transfection of a PPARgamma expression plasmid into the murine macrophage cell line RAW264.7, expressing very low levels of PPARgamma, and in peritoneal macrophages from PPARgamma-conditional null mice. We also show that CD36 induction by IL-13 via PPARgamma is dependent on phospholipase A2 activation and that IL-13 induces the production of endogenous 15-deoxy-Delta12,14-prostaglandin J2, an endogenous PPARgamma ligand, and its nuclear localization in human monocytes. Finally, we demonstrate that CD36 and PPARgamma are involved in IL-13-mediated phagocytosis of Plasmodium falciparum-parasitized erythrocytes. These results reveal a novel role for PPARgamma in the alternative activation of monocytes by IL-13, suggesting that endogenous PPARgamma ligands, produced by phospholipase A2 activation, could contribute to the biochemical and cellular functions of CD36.

Differential involvement of peroxisome-proliferator-activated receptors alpha and delta in fibrate and fatty-acid-mediated inductions of the gene encoding liver fatty-acid-binding protein in the liver and the small intestine.

Liver fatty-acid-binding protein (L-FABP) is a cytoplasmic polypeptide that binds with strong affinity especially to long-chain fatty acids (LCFAs). It is highly expressed in both the liver and small intestine, where it is thought to have an essential role in the control of the cellular fatty acid (FA) flux. Because expression of the gene encoding L-FABP is increased by both fibrate hypolipidaemic drugs and LCFAs, it seems to be under the control of transcription factors, termed peroxisome-proliferator-activated receptors (PPARs), activated by fibrate or FAs. However, the precise molecular mechanism by which these regulations take place remain to be fully substantiated. Using transfection assays, we found that the different PPAR subtypes (alpha, gamma and delta) are able to mediate the up-regulation by FAs of the gene encoding L-FABP in vitro. Through analysis of LCFA- and fibrate-mediated effects on L-FABP mRNA levels in wild-type and PPARalpha-null mice, we have found that PPARalpha in the intestine does not constitute a dominant regulator of L-FABP gene expression, in contrast with what is known in the liver. Only the PPARdelta/alpha agonist GW2433 is able to up-regulate the gene encoding L-FABP in the intestine of PPARalpha-null mice. These findings demonstrate that PPARdelta can act as a fibrate/FA-activated receptor in tissues in which it is highly expressed and that L-FABP is a PPARdelta target gene in the small intestine. We propose that PPARdelta contributes to metabolic adaptation of the small intestine to changes in the lipid content of the diet.

Transcriptional activation of the utrophin promoter B by a constitutively active Ets-transcription factor.

Duchenne muscular dystrophy is an X-linked genetic disease caused by the absence of functional dystrophin. Pharmacological upregulation of utrophin, the autosomal homologue of dystrophin, offers a potential therapeutic approach to treat Duchenne patients. Full-length utrophin mRNA is transcribed from two alternative promoters, called A and B. In contrast to the utrophin promoter A, little is known about the factors regulating the activity of the utrophin promoter B. Computer analysis of this second promoter revealed the presence of several conserved binding motives for Ets-transcription factors. Using electrotransfer of cDNA into mouse muscles, we demonstrate that a genetically modified beta-subunit of the Ets-transcription factor GA-binding protein potently activates a utrophin promoter B reporter construct in innervated muscle fibers in vivo. These results make the GA-binding protein and the signaling cascade regulating its activity in muscle cells, potential targets for the pharmacological modulation of utrophin expression in Duchenne patients.

Highly inducible synthesis of heterologous proteins in epithelial cells carrying a glucocorticoid-responsive vector.

A glucocorticoid-responsive vector is described which allows for the highly inducible expression of complementary DNAs (cDNAs) in stably transfected mammalian cell lines. This vector, pLK-neo, composed of a variant mouse mammary tumor virus long terminal repeat promoter, containing a hormone regulatory element, a Geneticin resistance-encoding gene in a simian virus 40 transcription unit, and a polylinker insertion site for heterologous cDNAs, was used to express the polymeric immunoglobulin (poly-Ig) receptor and the thymocyte marker, Thy-1, in Madin-Darby canine kidney (MDCK) cells and in murine fibroblast L cells. A high level of poly-Ig receptor or Thy-1 mRNA accumulation was observed in MDCK cells in response to dexamethasone with a parallel ten- to 200-fold increase in protein synthesis depending on the recombinant protein and the transfected cell clone.

Dibenzofuran degradation by Sphingomonas wittichii RW1 under environmental stresses

Sphingomonas wittichii is a gram-negative Alpha-proteobacterium, capable of degrading xenobiotic compounds such as dibenzofuran (DBF), dibenzo-p-dioxin, carbazole, 2-hydroxybiphenyl or nitro diphenyl ether herbicides. The metabolism of strain RW1 has been the subject of previous studies and a number of genes involved in DBF degradation have been characterized. It is known that RW1 posseses a unique initial DBF dioxygenase (encoded by the dxnAl gene) that catalyzes the first step in the degradation pathway. None of the organisms known to be able to degrade DBF have a similar dioxygenase, the closest match being the DBF dioxygenase from Rhodococcus sp. with an overall amino acid similarity of 45%. Genes participating in the conversion of the metabolite salicylate via the ortho-cleavage pathway to TCA cycle intermediates were identified as well. Apart from this scarce information, however, there is a lack of global knowledge on the genes that are involved in DBF degradation by strain RW1 and the influence of environmental stresses on DBF-dependent global gene expression. A global analysis is necessary, because it may help to better understand the behaviour of the strain under field conditions and suggest improvements for the current bioaugmentation practice. Chapter 2 describes the results of whole-genome analysis to characterize the genes involved in DBF degradation by RW1. Micro-array analysis allowed us to detect differences in gene transcription when strain RW1 was exposed to DBF. This was complemented by ultra-high throughput sequencing of mutants no longer capable of growing on salicylate and DBF. Some of the genes of the ortho-cleavage pathway were induced 2 to 4 times in the presence of DBF, as well as the initial DBF dioxygenase. However two gene clusters, named 4925 and 5102 were induced up to 19 times in response to DBF induction. The cluster 4925 is putatively participating in a meta-cleavage pathway while the cluster 5102 might be part of a gentisate pathway. The three pathways, ortho-cleavage, meta-cleavage and gentisate pathway seem to be active in parallel when strain RW1 is exposed to DBF, presenting evidence for a redundancy of genes for DBF degradation in the genome of RW1. Chapter 3 focuses on exploiting genetic tools to construct bioreporters representative for DBF degradation in RW1. A set of basic tools for genetic manipulation in Sphingomonas wittichii RW1 was tested and optimized. Both plasmids and mini-transposons were evaluated for their ability to be maintained in RW1 with or without antibiotic selection pressure, and for their ability to lead to fluorescent protein expression in strain RW1 from a constitutive promoter. Putative promoter regions of three of the previously found DBF-induced genes (Swit_4925, Swit_5102 and Swit_4897-dxnAl) were then used to construct eg/^-bioreporters in RW1. Chapter 4 describes the use of the constructed RW1-based bioreporter strains for examining the expression of the DBF degradation pathway genes under microcosm conditions. The bioreporter strains were first exposed to different carbon sources in liquid culture to calibrate the egfp induction. Contrary to our expectations from micro-array analysis only the construct with the promoter from gene cluster 4925 responded to DBF, whereas the other two constructs did not show specific induction with DBF. The response from the bioreporters was subsequently tested for sensitivity to water stress, given that this could have an important impact in soils. Exposure to liquid cultures with decreasing water potential, achieved by NaCl or PEG addition to the growth media, showed that eGFP expression in RW1 from the promoter regions 4925 and 5102 was not directly influenced by water stress, but only through an overall reduction in growth rate. In contrast, expression of eGFP from the dxnAl or an uspA promoter was also directly dependent on the extent of water stress. The RW1 with the 4925 construct was subsequently used in soil microcosms to evaluate DBF bioavailability to the cells in presence or absence of native microbiota or other contaminated material. We found that RW1 could grow on DBF added to soil, but bioreporter expression suggested that competition with native microbiota for DBF intermediates may limit its ability to proliferate to a maximum. Chapter 5 describes the results from the experiments carried out to more specifically detect genes of RW1 that might be implicated in water stress resistance. Hereto we created transposon mutagenesis libraries in RW1, either with a classical mini-Tn5 or with a variant that would express egfp when the transposon would insert in a gene induced under water stress. Classical mutant libraries were screened by replica plating under high and low water stress conditions (achieved by adding NaCl to the agar medium). In addition, we screened for smaller microcolonies formed by mutants in agarose beads that could be analized with flow cytometry. A number of mutants impaired to grow on NaCl-supplemented media were recovered and the transposon insertion sites sequenced. In a second procedure we screened by flow cytometry for mutants with a higher eGFP production after exposure to growth medium with higher NaCl concentrations. Mutants from both libraries rarely overlapped. Discovered gene functions of the transposon insertions pointed to compatible solute synthesis (glutamate and proline), cell membrane synthesis and modification of cell membrane composition. The results obtained in the present study give us a more complete picture of the mechanisms of DBF degradation by S. wittichii RW1, how it reacts to different DBF availability and how the DBF catabolic activity may be affected by the conditions found in contaminated environments. - Sphingomonas wittichii est une alpha-protéobactérie gram-négative, capable de dégrader des composés xénobiotiques tels que le dibenzofurane (DBF), la dibenzo-p-dioxine, le carbazole, le 2-hydroxybiphényle ou les herbicides dérivés du nitro-diphényléther. Le métabolisme de la souche RW1 a fait l'objet d'études antérieures et un certain nombre de gènes impliqués dans la dégradation du DBF ont été caractérisés. Il est connu que RW1 possède une unique dioxygénase DBF initiale (codée par le gène dxnAl) qui catalyse la première étape de la voie de dégradation. Aucun des organismes connus pour être capables de dégrader le DBF n'a de dioxygénase similaire. L'enzyme la plus proche étant la DBF dioxygénase de Rhodococcus sp. avec 45% d'acides aminés conservés. Les gènes qui participent à la transformation du salicylate en métabolites intermédiaires du cycle de Krebs par la voie ort/io-cleavage ont aussi été identifiés. Outre ces informations lacunaires, il y a un manque de connaissances sur l'ensemble des gènes impliqués dans la dégradation du DBF par la souche RW1 ainsi que l'effet des stress environnementaux sur l'expression génétique globale, en présence du DBF. Une analyse globale est nécessaire, car elle peut aider à mieux comprendre le comportement de la souche dans les conditions de terrain et de proposer des améliorations pour l'utilisation de la bio-augmentation comme technique de bio-remédiation. Le chapitre 2 décrit les résultats de l'analyse du génome pour caractériser les gènes impliqués dans la dégradation du DBF par RW1. Une analyse de micro-arrays nous a permis de détecter des différences dans la transcription des gènes lorsque la souche RW1 a été exposée au DBF. L'analyse a été complétée par le criblage à ultra-haut débit de mutants qui n'étaient plus capables de croître avec le salicylate ou le DBF comme seule source de carbone. Certains des gènes de la voie ortho-cleavage, dont la DBF dioxygénase initiale, ont xî été induits 2 à 4 fois, en présence du DBF. Cependant, deux groupes de gènes, nommés 4925 et 5102 ont été induits jusqu'à 19 fois en réponse au DBF. Le cluster 4925 participe probablement dans une voie de meta-cleavage tandis que le cluster 5102 pourrait faire partie d'une voie du gentisate. Les trois voies, ortho-cleavage, meta-cleavage et la voie du gentisate semblent être activées en parallèle lorsque la souche RW1 est exposée au DBF, ce qui représente une redondance de voies pour la dégradation du DBF dans le génome de RW1. Le chapitre 3 se concentre sur l'exploitation des outils génétiques pour la construction de biorapporteurs de la dégradation du DBF par RW1. Un ensemble d'outils de base pour la manipulation génétique dans Sphingomonas wittichii RW1 a été testé et optimisé. Deux plasmides et mini-transposons ont été évalués pour leur capacité à être maintenu dans RW1 avec ou sans pression de sélection par des antibiotiques, et pour leur capacité à exprimer la protéine fluorescente verte (eGFP) dans la souche RW1. Les trois promoteurs des gènes Swit_4925, Swit_5102 et Swit_4897 (dxnAl), induits en réponse au DBF, ont ensuite été utilisés pour construire des biorapporteurs dans RW1. Le chapitre 4 décrit l'utilisation des souches biorapportrices construites pour l'analyse de l'expression des gènes de la voie de dégradation du DBF dans des microcosmes avec différents types de sols. Les souches biorapportrices ont d'abord été exposées à différentes sources de carbone en cultures liquides afin de calibrer l'induction de la eGFP. La construction avec le promoteur du gène 4925 a permis une réponse au DBF. Mais contrairement à nos attentes, basées sur les résultats de l'analyse des micro-arrays, les deux autres constructions n'ont pas montré d'induction spécifique au DBF. La réponse des biorapporteurs a ensuite été testée pour la sensibilité au stress hydrique, étant donné que cela pourrait avoir un impact important dans les microcosmes. La diminution du potentiel hydrique en culture liquide est obtenue par addition de NaCl ou de PEG au milieu de croissance. Nous avons montré que l'expression de la eGFP contrôlée par les promoteurs 4925 et 5102 n'était pas directement influencée par le stress hydrique, mais seulement par une réduction globale des taux de croissance. En revanche, l'expression de la eGFP dépendante des promoteurs dxnAl et uspA était aussi directement dépendante de l'ampleur du stress hydrique. La souche avec la construction 4925 a été utilisée par la suite dans des microcosmes avec différents types de sols pour évaluer la biodisponibilité du DBF en présence ou absence des microbes indigènes et d'autres composés contaminants. Nous avons constaté que RW1 pouvait se développer si le DBF a été ajouté au sol, mais l'expression de la eGFP par le biorapporteur suggère que la compétition avec la microbiota indigène pour les métabolites intermédiaires du DBF peut limiter sa capacité à proliférer de manière optimale. Le chapitre 5 décrit les résultats des expériences réalisées afin de détecter spécifiquement les gènes de RW1 qui pourraient être impliquées dans la résistance au stress hydrique. Ici on a crée des bibliothèques de mutants de RW1 par transposon, soit avec un mini-Tn5 classique ou avec une variante qui exprime la eGFP lorsque le transposon s'insère dans un gène induit par le stress hydrique. Les bibliothèques de mutants ont été criblées par la méthode classique de repiquage sur boîtes, dans des conditions de stress hydrique élevé (obtenu par l'addition de NaCl dans les boîtes). En outre, nous avons criblé des micro¬colonies dans des billes d'agarose qui ont pu être analysées par cytométrie de flux. Un certain nombre de mutants déficients à croître sur des milieux supplémentés avec du NaCl ont été isolés et les sites d'insertion du transposon séquencés. Dans une deuxième procédure nous avons criblé par cytométrie de flux des mutants avec une production de eGFP supérieure, après exposition à un milieu de croissance avec une concentration élevée de NaCl. Les mutants obtenus dans les deux bibliothèques n'étaient pas similaires. Les fonctions des gènes où se trouvent les insertions de transposons sont impliqués dans la synthèse de solutés compatibles (glutamate et de la proline), dans la synthèse de la membrane cellulaire et dans la modification de la composition de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus dans la présente étude nous donnent une image plus complète des mécanismes de dégradation du DBF par S. wittichii RW1, comment cette souche réagit à la disponibilité du DBF et comment l'activité catabolique peut être affectée par les conditions rencontrées dans des environnements contaminés.

Detection of promoter activity by flow cytometric analysis of GFP reporter expression.

Low efficiency of transfection is often the limiting factor for acquiring conclusive data in reporter assays. It is especially difficult to efficiently transfect and characterize promoters in primary human cells. To overcome this problem we have developed a system in which reporter gene expression is quantified by flow cytometry. In this system, green fluorescent protein (GFP) reporter constructs are co-transfected with a reference plasmid that codes for the mouse cell surface antigen Thy-1.1 and serves to determine transfection efficiency. Comparison of mean GFP expression of the total transfected cell population with the activity of an analogous luciferase reporter showed that the sensitivity of the two reporter systems is similar. However, because GFP expression can be analyzed at the single-cell level and in the same cells the expression of the reference plasmid can be monitored by two-color fluorescence, the GFP reporter system is in fact more sensitive, particularly in cells which can only be transfected with a low efficiency.

Questioning the utility of RNA-DNA chimera in gene repair.

In principle, we should be glad that Eric Kmiec and his colleagues published in Science's STKE (1) a detailed experimental protocol of their gene repair method (2, 3). However, a careful reading of their contribution raises more doubts about the method. The research published in Science five years ago by Kmiec and his colleagues was said to demonstrate that chimeric RNA-DNA oligonucleotides could correct the mutation responsible for sickle cell anemia with 50% efficiency (4). Such a remarkable result prompted many laboratories to attempt to replicate the research or utilize the method on their own systems. However, if the method worked at all, which it rarely did, the achieved efficiency was usually lower by several orders of magnitude. Now, in the Science's STKE protocol, we are given crucial information about the method and why it is so important to utilize these expensive chimeric RNA-DNA constructs. In the introduction we are told that the RNA-DNA duplex is more stable than a DNA-DNA duplex and so extends the half-life of the complexes formed between the targeted DNA and the chimeric RNA-DNA oligonucleotides. This logical explanation, however, conflicts with the statement in the section entitled "Transfection with Oligonucleotides and Plasmid DNA" that Kmiec and colleagues have recently demonstrated that classical single-stranded DNA oligonucleotides with a few protective phosphothioate linkages have a "gene repair conversion frequency rivaling that of the RNA/DNA chimera". Indeed, the research cited for that result actually states that single-stranded DNA oligonucleotides are in fact several-fold more efficient (3.7-fold) than the RNA-DNA chimeric constructs (5). If that is the case, it raises the question of why Kmiec and colleagues emphasize the importance of the RNA in their original chimeric constructs. Their own new results show that modified single-stranded DNA oligonucleotides are more effective than the expensive RNA-DNA hybrids. Moreover, the current efficiency of the gene repair by RNA-DNA hybrids, according to Kmiec and colleagues in their recent paper is only 4×10-4 even after several hours of pre-selection permitting multiplification of bacterial cells with the corrected plasmid (5). This efficiency is much lower than the 50% value reported five years ago, but is assuredly much closer to the reality.

Role of the hypocretin system in cocaine- and alcohol-related behaviors : evidence from hypocretin-deficient mice

RésuméL'addiction aux drogues est une maladie multifactorieile affectant toutes les strates de notre société. Cependant, la vulnérabilité à développer une addiction dépend de facteurs environnementaux, génétiques et psychosociaux. L'addiction aux drogues est décrite comme étant une maladie chronique avec un taux élevé de rechutes. Elle se caractérise par un besoin irrépressible de consommer une drogue et une augmentation progressive de la consommation en dépit des conséquences néfastes. Les mécanismes cérébraux responsables des dépendances aux drogues ne sont que partiellement élucidés, malgré une accumulation croissante d'évidences démontrant des adaptations au niveau moléculaire et cellulaire au sein des systèmes dopaminergique et glutamatergique. L'identification de nouveaux facteurs neurobiologiques responsables de la vulnérabilité aux substances d'abus est cruciale pour le développement de nouveaux traitements thérapeutiques capables d'atténuer et de soulager les symptômes liés à la dépendance aux drogues.Au cours des dernières années, de nombreuses études ont démontré qu'un nouveau circuit cérébral, le système hypocrétinergique, était impliqué dans plusieurs fonctions physiologiques, tel que l'éveil, le métabolisme énergétique, la motivation, le stress et les comportements liés aux phénomènes de récompense. Le système hypocrétinergique est composé d'environ 3000-4000 neurones issus de l'hypothalamus latéral projetant dans tout ie cerveau. Des souris transgéniques pour le gène des hypocrétines ont été générées et leur phénotype correspond à celui des animaux sauvages, excepté le fait qu'elles soient atteintes d'attaques de sommeil similaires à celles observées chez les patients narcoleptiques. H semblerait que les hypocrétines soient requises pour l'acquisition et l'expression de la dépendance aux drogues. Cependant, le mécanisme précis reste encore à être élucidé. Dans ce rapport, nous rendons compte des comportements liés aux phénomènes de récompense liés à l'alcool et à la cocaine chez les souris knock-out (KO), hétérozygotes (HET) et sauvages (WT).Nous avons, dans un premier temps, évalué l'impact d'injections répétées de cocaïne (15 mg/kg, ip) sur la sensibilisation locomotrice et sur le conditionnement place préférence. Nous avons pu observer que les souris WT, HET et KO exprimaient une sensibilisation locomotrice induite par une administration chronique de cocaïne, cependant les souris déficientes en hypocrétines démontraient une sensibilisation retardée et atténuée. Π est intéressant de mentionner que les mâles HET exprimaient une sensibilisation comportementale intermédiaire. Après normalisation des données, toutes les souris exprimaient une amplitude de sensibilisation similaire, excepté les souris mâles KO qui affichaient, le premier jour de traitement, une sensibilisation locomotrice réduite et retardée, reflétant un phénotype hypoactif plutôt qu'une altération de la réponse aux traitements chroniques de cocaïne. Contre toute attente, toutes les souris femelles exprimaient un pattern similaire de sensibilisation locomotrice à la cocaïne. Nous avons ensuite évalué l'effet d'un conditionnement comportemental à un environnement associé à des injections répétées de cocaine (15 mg / kg ip). Toutes les souris, quelque soit leur sexe ou leur génotype, ont manifesté une préférence marquée pour l'environnement apparié à la cocaïne. Après deux semaines d'abstinence à la cocaïne, les mâles et les femelles déficientes en hypocrétines n'exprimaient plus aucune préférence pour le compartiment précédemment associé à la cocaïne. Alors que les souris WT et HET maintenaient leur préférence pour le compartiment associé à la cocaïne. Pour finir, à l'aide d'un nouveau paradigme appelé IntelliCage®, nous avons pu évaluer la consommation de liquide chez les femelles WT, HET et KO. Lorsqu'il n'y avait que de l'eau disponible, nous avons observé que les femelles KO avaient tendance à moins explorer les quatre coins de la cage. Lorsque les souris étaient exposées à quatre types de solutions différentes (eau, ImM quinine ou 0.2% saccharine, alcool 8% et alcool 16%), les souris KO avaient tendance à moins consommer l'eau sucrée et les solutions alcoolisées. Cependant, après normalisation des données, aucune différence significative n'a pu être observée entre les différents génotypes, suggérant que la consommation réduite d'eau sucrée ou d'alcool peut être incombée à l'hypoactivité des souris KO.Ces résultats confirment que le comportement observé chez les souris KO serait dû à des compensations développementales, puisque la sensibilisation locomotrice et le conditionnement comportemental à la cocaïne étaient similaires aux souris HET et WT. En ce qui concerne la consommation de liquide, les souris KO avaient tendance à consommer moins d'eau sucrée et de solutions alcoolisées. Le phénotype hypoactif des souris déficientes en hypocrétine est probablement responsable de leur tendance à moins explorer leur environnement. Il reste encore à déterminer si l'expression de ce phénotype est la conséquence d'un état de vigilance amoindri ou d'une motivation diminuée à la recherche de récompense. Nos résultats suggèrent que les souris déficientes en hypocrétine affichent une motivation certaine à la recherche de récompense lorsqu'elles sont exposées à des environnements où peu d'efforts sont à fournir afin d'obtenir une récompense.AbstractDrug addiction is a multifactorial disorder affecting human beings regardless their education level, their economic status, their origin or even their gender, but the vulnerability to develop addiction depends on environmental, genetic and psychosocial dispositions. Drug addiction is defined as a chronic relapsing disorder characterized by compulsive drug seeking, with loss of control over drug intake and persistent maladaptive decision making in spite of adverse consequences. The brain mechanisms responsible for drug abuse remain partially unknown despite accumulating evidence delineating molecular and cellular adaptations within the glutamatergic and the dopaminergic systems. However, these adaptations do not fully explain the complex brain disease of drug addiction. The identification of other neurobiological factors responsible for the vulnerability to substance abuse is crucial for the development of promising therapeutic treatments able to alleviate signs of drug dependence.For the past few years, growing evidence demonstrated that a recently discovered brain circuit, the hypocretinergic system, is implicated in many physiological functions, including arousal, energy metabolism, motivation, stress and reward-related behaviors. The hypocretin system is composed of a few thousands neurons arising from the lateral hypothalamus and projecting to the entire brain. Hypocretin- deficient mice have been generated, and unexpectedly, their phenotype resembles that of wild type mice excepting sleep attacks strikingly similar to those of human narcolepsy patients. Evidence suggesting that hypocretins are required for the acquisition and the expression of drug addiction has also been reported; however the precise mechanism by which hypocretins modulate drug seeking behaviors remains a matter of debate. Here, we report alcohol and cocaine reward-related behaviors in hypocretin-deficient mice (KO), as well as heterozygous (HET) and wild type (WT) littermates.We first evaluated the impact of repeated cocaine injections (15 mg/kg, ip) on locomotor sensitization and conditioned place preference. We observed that WT, HET and KO mice exhibited behavioral sensitization following repeated cocaine administrations, but hypocretin deficient males displayed a delayed and attenuated response to chronic cocaine administrations. Interestingly, HET males exhibited an intermediate pattern of behavioral sensitization. However, after standardization of the post-injection data versus the period of habituation prior to cocaine injections, all mice displayed similar amplitudes of behavioral sensitization, except a reduced response in KO males on the first day, suggesting that the delayed and reduced cocaine-induced locomotor sensitization may reflect a hypoactive phenotype and probably not an altered response to repeated cocaine administrations. Unexpectedly, all female mice exhibited similar patterns of cocaine-induced behavioral sensitization. We then assessed the behavioral conditioning for an environment repeatedly paired with cocaine injections (15 mg/kg ip). All mice, whatever their gender or genotype, exhibited a robust preference for the environment previously paired with cocaine administrations. Noteworthy, following two weeks of cocaine abstinence, hypocretin-deficient males and females no longer exhibited any preference for the compartment previously paired with cocaine rewards whereas both WT and HET mice continued manifesting a robust preference. We finally assessed drinking behaviors in WT, HET and KO female mice using a novel paradigm, the IntelliCages®. We report here that KO females tended to less explore the four cage comers where water was easily available. When exposed to four different kinds of liquid solutions (water, ImM quinine or saccharine 0.2%, alcohol 8% and alcohol 16%), KO mice tended to less consume the sweet and the alcoholic beverages. However, after data standardization, no significant differences were noticed between genotypes suggesting that the hypoactive phenotype is most likely accountable for the trend regarding the reduced sweet or alcohol intake in KO.Taken together, the present findings confirm that the behavior seen in Hcrt KO mice likely reflects developmental compensations since only a slightly altered cocaine-induced behavioral sensitization and a normal behavioral conditioning with cocaine were observed in these mice compared to HET and WT littermates. With regards to drinking behaviors, KO mice barely displayed any behavioral changes but a trend for reducing sweet and alcoholic beverages. Overall, the most striking observation is the constant hypoactive phenotype seen in the hypocretin-deficient mice that most likely is accountable for their reduced tendency to explore the environment. Whether this hypoactive phenotype is due to a reduced alertness or reduced motivation for reward seeking remains debatable, but our findings suggest that the hypocretin-deficient mice barely display any altered motivation for reward seeking in environments where low efforts are required to access to a reward.

Expression cloning of the pancreatic beta cell receptor for the gluco-incretin hormone glucagon-like peptide 1.

Glucagon-like peptide 1 (GLP-1) is a hormone derived from the preproglucagon molecule and is secreted by intestinal L cells. It is the most potent stimulator of glucose-induced insulin secretion and also suppresses in vivo acid secretion by gastric glands. A cDNA for the GLP-1 receptor was isolated by transient expression of a rat pancreatic islet cDNA library into COS cells; this was followed by binding of radiolabeled GLP-1 and screening by photographic emulsion autoradiography. The receptor transfected into COS cells binds GLP-1 with high affinity and is coupled to activation of adenylate cyclase. The receptor binds specifically GLP-1 and does not bind peptides of related structure and similar function, such as glucagon, gastric inhibitory peptide, vasoactive intestinal peptide, or secretin. The receptor is 463 amino acids long and contains seven transmembrane domains. Sequence homology is found only with the receptors for secretin, calcitonin, and parathyroid hormone, which form a newly characterized family of G-coupled receptors.

Regulation of the voltage-gated sodium channel Nav1.7 by ubiquitin ligase Nedd4-2

Background and aim: Neuropathic pain (NP) is a frequent and disabling disorder occurring as a consequence of a direct lesion of the nervous system and recurrently associated with a positive shift toward nervous system excitability. Peripheral nerve activity is mainly carried by voltage-gated sodium channels (VGSC), with Nav1.7 isoform being an important candidate since loss of function mutations of its gene is associated with congenital inability to experience pain. Interestingly, ubiquitin ligases from the Nedd4 family are well known proteins that regulate the turnover of many membrane proteins such as VGSC and we showed Nedd2-2 is downregualted in experimental models of chronic pain. The aim of this study was to investigate the importance of Nedd4-2 in the modulation of Nav1.7 at the membrane. Methods: In vitro: whole cell patch clamp on HEK293 cell line stably expressing Nav1.7 was used to record sodium currents (INa), where the peak current of INa reflects the quantity of functional Nav1.7 expressed at the membrane. The possibility that Nedd4-2 modulates the currents was assessed by investigating the effect of its cotransfection on INa. Biotinylation of cell surface was used to isolate membrane-targeted Nav1.7. Furthermore, as the interaction between Nedd4-2 and Nav isoforms was previously reported to rely on an xPPxYx sequence (PY-motif), we mutated this latter to study its impact in the specific interaction between Nav1.7 and Nedd4-2. GST-fusion proteins composed of the Nav1.7 c terminal 66 amino acids (wild-type or PY mutated) and GST were used to pull-down Nedd4-2 from lysates. Results: Co-transfection of Nav1.7 with Nedd4-2 reduced the Nav1.7 current amplitude by ~80% (n = 36, p <0.001), without modifying the biophysical properties of INa. In addition, we show that the quantity of Nav1.7 at the membrane was decreased when Nedd4-2 was present. This effect was dependent on the PY-motif since mutations in this sequence abolished the down-regulatory effect of Nedd4-2. The importance of this motif was further confirmed by pull down experiments since the PY mutant completely eliminate the interaction with Nedd4-2. Perspectives: Altogether, these results point to the importance of Nedd4-2 as a Nav1.7 regulator through cell surface modulation of this sodium channel. Further experiments in freshly dissociated neurons from wild type and Scn1bflox/Nedd4-2Cre mice are needed to confirm in vivo these preliminary data.

Characterization of the effects of IL-17F on CHO cell line generation

CHO is the most commonly used mammalian host for the generation of cell lines allowing for the production of high quality therapeutic proteins. The generation of such cell lines is a lengthy and resource-intensive process requiring extensive screening in order to isolate candidates with optimal characteristics, such as growth, stability and productivity. For this reason, the biotechnology industry invests much effort in attempts to optimize CHO expression systems in order to streamline and shorten the cell line selection process. Based on preliminary observations of a facilitated selection of CHO-GS cell lines expressing members of the IL-17 cytokine family, this study investigates the use of IL-17F as a novel enhancing factor for CHO cell line generation. Using two different CHO expression systems (exploiting GS and DHFR-based selection), we demonstrated that IL-17F expression caused a significant increase in the occurrence of colonies during the selection process. All colonies selected produced substantial amounts of IL-17F, suggesting that benefits were conferred, during selection, to those cells expressing the cytokine. Furthermore, transgene expression levels were significantly increased when the selection pressure was raised to a level that would not normally be permissive for colony selection (i.e. 100 |o.M MSX for the CHO-GS expression system or 1000 nM MTX for the CHO-DHFR system). Finally, IL-17F expression was also found to enhance the rate of appearance of clones during single cell subcloning in the absence of selection pressure. Overall, these benefits have the potential to allow a substantial reduction in the length of cell line generation while significantly increasing cell line productivity. Nevertheless, we found that the high IL-17F expression levels required to convey enhancing effects was a limitation when attempting to co-express IL-17F and a recombinant soluble protein of therapeutic interest from independent CMV promoters within the same expression vector. In order to understand and overcome this limitation, studies were designed to characterize the IL-17F enhancing effect at the molecular and cellular level. Regular supplementation of recombinant biologically-active IL-17F into the culture medium during cell line selection was not able to reproduce the enhancing effects of endogenous IL-17F expression. In addition, increased IL-17F expression correlated with increased CHO-GS selection transgene expression at the single cell level. This data suggested a possible effect of IL-17F on viral promoter activity or transgene mRNA stability. It also provided direct evidence that the cells expressing the highest amounts of IL-17F obtained the most benefit. Overall data obtained from these study implied that IL-17F may act through an intracellular mechanism, possibly exerted during secretion. We therefore initiated experiments designed to determine the specific compartment(s) within which IL-17F triggers its effect. This work has identified IL-17F as a potentially powerful tool to optimize the CHO cell line generation process. The characterization of this enhancing effect at the molecular level has given us several insights into overcoming the current limitations, thus paving the way for the development of a viable technology that can be exploited within the biotechnology industry. - La CHO est la cellule hôte de mammifere la plus couramment utilisée dans la création de lignée cellulaire produisant des protéines thérapeutiques de haute qualité. La génération de ces lignées cellulaires est un processus long et exigeant l'utilisation de techniques de sélection robustes afin d'isoler des candidats possédants les caractéristiques optimales de croissance, de productivité et de stabilité d'expression. Les industries biopharmaceutiques ont investi beaucoup d'efforts afin d'optimiser les systèmes d'expression CHO dans le but raccourcir la longueur du procédé de sélection de lignées cellulaires et aussi d'en augmenter l'efficacité. A partir d'observations préliminaires obtenues lors de la génération de lignées cellulaires CHO- GS exprimant une cytokine appartenant à la famille des IL-17, nous avons réalisé une étude portant sur l'utilisation de l'IL-17F humaine (IL-17F) comme nouveau facteur d'optimisation pour la génération de lignées cellulaires CHO. Nous avons démontré, en utilisant les deux systèmes de sélection et d'expression CHO couramment utilisés (le premier exploitant la GS et l'autre basée sur la DHFR), que l'expression de l'IL-17F permet une augmentation significative de la fréquence d'apparition de colonies durant le processus de sélection de lignées cellulaires. Les différentes colonies sélectionnées expriment des quantités substantielles d'IL-17F, suggérant un effet bénéfique lors de la sélection qui serait exclusivement conféré aux cellules exprimant la cytokine. En outre, le niveau d'expression du transgene se trouve significativement augmenté lorsque la pression de sélection est portée à un niveau habituellement trop élevé pour permettre la sélection de colonies (soit 100 |JM MSX pour le système d'expression CHO-GS ou 1000 nM MTX pour le système CHO- DHFR). Enfin, l'expression d'IL-17F permet également d'améliorer la vitesse d'apparition de clones pendant une étape de sous-clonage en l'absence de pression de sélection. L'ensemble de ces effets bénéfiques permettent une réduction substantielle de la durée de génération de lignées cellulaires tout en augmentant considérablement la productivité des lignées obtenues. Néanmoins, nous avons constaté que la nécessité d'exprimer des niveaux élevés d'IL-17F afin obtenir l'ensemble de ses effets bénéfiques devient une contrainte lors de l'utilisation d'un vecteur d'expression composé de deux promoteurs CMV indépendants pour la co-expression de la cytokine et d'une protéine soluble présentant un intérêt thérapeutique. Afin de mieux comprendre et de surmonter cette limitation, plusieurs études ont été effectuées dans le but de mieux caractériser l'effet de IL-17F au niveau subcellulaire. L'apport régulier en IL-17F recombinante et biologiquement active dans le milieu de culture lors de la sélection de lignées cellulaires ne permet pas de reproduire les effets bénéfiques observés par l'expression endogène d'IL-17F. En outre, nous avons constaté que, lors de l'utilisation du système CHO- GS, l'augmentation d'expression de 1TL-17F est corrélée à un accroissement de l'expression du marqueur de sélection au niveau cellulaire. Ces résultats suggèrent un possible effet d'IL- 17F sur l'activité des promoteurs viraux et ainsi fournissent une preuve directe que les cellules exprimant de haut niveau d'IL-17F sont celles qui en profitent le plus. L'ensemble de ces observations mettrait en avant que l'effet d'IL-17F se ferait selon un mécanisme intracellulaire. Nous avons donc étudié le(s) compartiment(s) spécifique(s) dans lequel IL-17F pourrait exercer son effet. Ce travail a permis de définir IL-17F comme un puissant outil pour l'optimisation des procédés de génération de lignées cellulaires CHO. La caractérisation de cette amélioration de l'effet au niveau moléculaire nous a donné plusieurs indications sur la manière de dépasser les limitations actuelles, ouvrant ainsi la voie au développement d'une technologie viable qui peut être exploitée pars l'industrie biotechnologique.

Noninvasive imaging of 5-HT3 receptor trafficking in live cells: from biosynthesis to endocytosis.

Sequential stages in the life cycle of the ionotropic 5-HT(3) receptor (5-HT(3)R) were resolved temporally and spatially in live cells by multicolor fluorescence confocal microscopy. The insertion of the enhanced cyan fluorescent protein into the large intracellular loop delivered a fluorescent 5-HT(3)R fully functional in terms of ligand binding specificity and channel activity, which allowed for the first time a complete real-time visualization and documentation of intracellular biogenesis, membrane targeting, and ligand-mediated internalization of a receptor belonging to the ligand-gated ion channel superfamily. Fluorescence signals of newly expressed receptors were detectable in the endoplasmic reticulum about 3 h after transfection onset. At this stage receptor subunits assembled to form active ligand binding sites as demonstrated in situ by binding of a fluorescent 5-HT(3)R-specific antagonist. After novel protein synthesis was chemically blocked, the 5-HT(3) R populations in the endoplasmic reticulum and Golgi cisternae moved virtually quantitatively to the cell surface, indicating efficient receptor folding and assembly. Intracellular 5-HT(3) receptors were trafficking in vesicle-like structures along microtubules to the cell surface at a velocity generally below 1 mum/s and were inserted into the plasma membrane in a characteristic cluster distribution overlapping with actin-rich domains. Internalization of cell surface 5-HT(3) receptors was observed within minutes after exposure to an extracellular agonist. Our orchestrated use of spectrally distinguishable fluorescent labels for the receptor, its cognate ligand, and specific organelle markers can be regarded as a general approach allowing subcellular insights into dynamic processes of membrane receptor trafficking.

Polarity of endogenous and exogenous glycosyl-phosphatidylinositol-anchored membrane proteins in Madin-Darby canine kidney cells.

Madin-Darby canine kidney cells (MDCK) were transfected with a cDNA encoding the glycosyl-phosphatidylinositol (GPI)-anchored protein mouse Thy-1 in order to study the steady-state surface distribution of exogenous and endogenous GPI-linked proteins. Immunofluorescence of transfected cells grown on collagen-coated coverslips showed that expression of Thy-1 was variable throughout the epithelium, with some cells expressing large amounts of Thy-1 adjacent to very faintly staining cells. Selective surface iodination of cells grown on collagen-coated or uncoated transwell filters followed by immunoprecipitation of Thy-1 demonstrated that all the Thy-1 was present exclusively in the apical plasma membrane. Although cells grown on uncoated filters had much smaller amounts of Thy-1, it was consistently localized on the apical surfaces. Immunofluorescent localization of Thy-1 on 1 micron frozen sections of filter-grown cells demonstrated that all the Thy-1 was on the apical surface and there was no detectable intracellular pool. Phosphatidylinositol-specific phospholipase C digestion of intact iodinated monolayers released Thy-1 only into the apical medium, indicating that Thy-1 was processed normally in transfected cells and was anchored by a GPI-tail. In agreement with previous findings, endogenous GPI-linked proteins were found only on the apical plasma membrane. These results suggest that there is a common mechanism for sorting and targeting of GPI-linked proteins in polarized epithelial cells.