Uptake of oxLDL and IL-10 production by macrophages requires PAFR and CD36 recruitment into the same lipid rafts

Macrophage interaction with oxidized low-density lipoprotein (oxLDL) leads to its differentiation into foam cells and cytokine production, contributing to atherosclerosis development. In a previous study, we showed that CD36 and the receptor for platelet-activating factor (PAFR) are required for oxLDL to activate gene transcription for cytokines and CD36. Here, we investigated the localization and physical interaction of CD36 and PAFR in macrophages stimulated with oxLDL. We found that blocking CD36 or PAFR decreases oxLDL uptake and IL-10 production. OxLDL induces IL-10 mRNA expression only in HEK293T expressing both receptors (PAFR and CD36). OxLDL does not induce IL-12 production. The lipid rafts disruption by treatment with βCD reduces the oxLDL uptake and IL-10 production. OxLDL induces co-immunoprecipitation of PAFR and CD36 with the constitutive raft protein flotillin-1, and colocalization with the lipid raft-marker GM1-ganglioside. Finally, we found colocalization of PAFR and CD36 in macrophages from human atherosclerotic plaques. Our results show that oxLDL induces the recruitment of PAFR and CD36 into the same lipid rafts, which is important for oxLDL uptake and IL-10 production. This study provided new insights into how oxLDL interact with macrophages and contributing to atherosclerosis development.

Ruolo delle specie reattive dell'ossigeno e di caveole/raft lipidici nella biosegnalazione in linee cellulari umane

Membrane lipid rafts are detergent-resistant microdomains containing glycosphingolipids, cholesterol and glycosylphosphatidylinositol-linked proteins; they seem to be actively involved in many cellular processes including signal transduction, apoptosis, cell adhesion and migration. Lipid rafts may represent important functional platforms where redox signals are produced and transmitted in response to various agonists or stimuli. In addition, a new concept is emerging that could be used to define the interactions or amplification of both redox signalling and lipid raft-associated signalling. This concept is characterized by redox-mediated feed forward amplification in lipid platforms. It is proposed that lipid rafts are formed in response to various stimuli; for instance, NAD(P)H oxidase (Nox) subunits are aggregated or recruited in these platforms, increasing Nox activity. Superoxide and hydrogen peroxide generation could induce various regulatory activities, such as the induction of glucose transport activity and proliferation in leukaemia cells. The aim of our study is to probe: i) the involvement of lipid rafts in the modulation of the glucose transporter Glut1 in human acute leukemia cells; ii) the involvement of plasma membrane caveolae/lipid rafts in VEGF-mediated redox signaling via Nox activation in human leukemic cells; iii) the role of p66shc, an adaptor protein, in VEGF signaling and ROS production in endothelial cells (ECs); iv) the role of Sindecan-2, a transmembrane heparan sulphate proteoglycan, in VEGF signaling and physiological response in ECs and v) the antioxidant and pro-apoptotic activities of simple dietary phenolic acids, i. e. caffeic, syringic and protocatechuic acids in leukemia cells, characterized by a very high ROS content. Our results suggest that the role played by NAD(P)H oxidase-derived ROS in the regulation of glucose uptake, proliferation and migration of leukaemia and endothelial cells could likely occur through the control of lipid raft-associated signalling.

Lipopolysaccharides from atherosclerosis-associated bacteria antagonize TLR4, induce formation of TLR2/1/CD36 complexes in lipid rafts and trigger TLR2-induced inflammatory responses in human vascular endothelial cells

Infection with bacteria such as Chlamydia pneumonia, Helicobacter pylori or Porphyromonas gingivalis may be triggering the secretion of inflammatory cytokines that leads to atherogenesis. The mechanisms by which the innate immune recognition of these pathogens could lead to atherosclerosis remain unclear. In this study, using human vascular endothelial cells or HEK-293 cells engineered to express pattern-recognition receptors (PRRs), we set out to determine Toll-like receptors (TLRs) and functionally associated PRRs involved in the innate recognition of and response to lipopolysaccharide (LPS) from H. pylori or P. gingivalis. Using siRNA interference or recombinant expression of cooperating PRRs, we show that H. pylori and P. gingivalis LPS-induced cell activation is mediated through TLR2. Human vascular endothelial cell activation was found to be lipid raft-dependent and to require the formation of heterotypic receptor complexes comprising of TLR2, TLR1, CD36 and CD11b/CD18. In addition, we report that LPS from these bacterial strains are able to antagonize TLR4. This antagonistic activity of H. pylori or P. gingivalis LPS, as well as their TLR2 activation capability may be associated with their ability to contribute to atherosclerosis.

T cell adhesion regulation from clustering GM1 lipid rafts

Lipid rafts are small laterally mobile cell membrane structures that are highly enriched in lymphocyte signaling molecules. Lipid rafts can form from the assembly of specialized lipids and proteins through hydrophobic associations from saturated acyl chains. GM1 gangliosides are a common lipid raft component and have been shown to be essential in many T cell functions. Current lipid raft theory hypothesizes that certain aspects of T cell signaling can be initiated from the coalescence of these signaling-enriched lipid rafts to sites of receptor engagement. We have described how the specific aggregation of GM1 lipid rafts can cause a reorganization of cell surface molecular associations which include dynamic associations of β1 integrins with GM1 lipid rafts. These associations had pronounced effects on T cell adhesive and migratory states. We show that GM1 lipid raft aggregation can dramatically inhibit T cell migration and chemotaxis on the extracellular matrix constituent fibronectin. This inhibition of migration function was shown to be dependent on the src kinase Lck and PKC-regulated F-actin polymerization to extending pseudopods. Furthermore, GM1 lipid raft clustering could activate T cell adhesion-strengthening mechanisms. These include an increase in cellular rigidity, the creation of polymerized cortical F-actin structures, the induction of high affinity integrin states, an increase in surface area and symmetry of the contact plane, and resistance to shear flow detachment while adherent to fibronectin. This indicates that GM1 lipid raft aggregation defines a novel stimulus to regulate lymphocyte motility and cellular adhesion which could have important implications in T cell homing mechanisms. ^

Association of stomatin with lipid bodies

The oligomeric lipid raft-associated integral protein stomatin normally localizes to the plasma membrane and the late endosomal compartment. Similar to the caveolins, it is targeted to lipid bodies (LBs) on overexpression. Endogenous stomatin also associates with LBs to a small extent. Green fluorescent protein-tagged stomatin (StomGFP) and the dominant-negative caveolin-3 mutant DGV(cav3)(HA) occupy distinct domains on LB surfaces but eventually intermix. Studies of StomGFP deletion mutants reveal that the region for membrane association but not oligomerization and raft association is essential for LB targeting. Blocking protein synthesis leads to the redistribution of StomGFP from LBs to LysoTracker-positive vesicles indicating a connection with the late endosomal/ lysosomal pathway. Live microscopy of StomGFP reveals multiple interactions between LBs and microtubule-associated vesicles possibly representing signaling events and/or the exchange of cargo. Proteomic analysis of isolated LBs identifies adipophilin and TIP47, various lipid-specific enzymes, cytoskeletal components, chaperones, Ras-related proteins, protein kinase D2, and other regulatory proteins. The association of the Rab proteins 1, 6, 7, 10, and 18 with LBs indicates various connections to other compartments. Our data suggest that LBs are not only involved in the storage of lipids but also participate actively in the cellular signaling network and the homeostasis of lipids.

H-ras, K-ras, and inner plasma membrane raft proteins operate in nanoclusters with differential dependence on the actin cytoskeleton

Plasma membrane compartmentalization imposes lateral segregation on membrane proteins that is important for regulating signal transduction. We use computational modeling of immunogold spatial point patterns on intact plasma membrane sheets to test different models of inner plasma membrane organization. We find compartmentalization at the nanoscale level but show that a classical raft model of preexisting stable domains into which lipid raft proteins partition is incompatible with the spatial point patterns generated by the immunogold labeling of a palmitoylated raft marker protein. Rather, approximate to 30% of the raft protein exists in cholesterol-dependent nanoclusters, with approximate to 70% distributed as monomers. The cluster/monomer ratio (number of proteins in clusters/number of proteins outside clusters) is independent of expression level. H-rasG12V and K-rasG12V proteins also operate in nanoclusters with fixed cluster/monomer ratios that are independent of expression level. Detailed calibration of the immunogold imaging protocol suggests that radii of raft and RasG12V protein nanoclusters may be as small as 11 and 6 nm, respectively, and shows that the nanoclusters contain small numbers (6.0-7.7) of proteins. Raft nanoclusters do not form if the actin cytoskeleton is disassembled. The formation of K-rasG12V but not H-rasG12V nanoclusters also is actin-dependent. K-rasG12V but not H-rasG12V signaling is abrogated by actin cytoskeleton disassembly, which shows that nanoclustering is critical for Ras function. These findings argue against stable preexisting domains on the inner plasma membrane in favor of dynamic actively regulated nanoclusters similar to those proposed for the outer plasma membrane. RasG12V nanoclusters may facilitate the assembly of essential signal transduction complexes.

Expression of PTRF in PC3 cells modulates cholesterol dynamics and the actin cytoskeleton impacting secretion pathways

Expression of caveolin-1 is up-regulated in prostate cancer metastasis and is associated with aggressive recurrence of the disease. Intriguingly, caveolin-1 is also secreted from prostate cancer cell lines and has been identified in secreted prostasomes. Caveolin-1 is the major structural component of the plasma membrane invaginations called caveolae. Co-expression of the coat protein Polymerase I and transcript release factor (PTRF) is required for caveolae formation. We recently found that expression of caveolin-1 in the aggressive prostate cancer cell line PC-3 is not accompanied by PTRF, leading to noncaveolar caveolin-1 lipid rafts. Moreover, ectopic expression of PTRF in PC-3 cells sequesters caveolin-1 into caveolae. Here we quantitatively analyzed the effect of PTRF expression on the PC-3 proteome using stable isotope labeling by amino acids in culture and subcellular proteomics. We show that PTRF reduced the secretion of a subset of proteins including secreted proteases, cytokines, and growth regulatory proteins, partly via a reduction in prostasome secretion. To determine the cellular mechanism accounting for the observed reduction in secreted proteins we analyzed total membrane and the detergent-resistant membrane fractions. Our data show that PTRF expression selectively impaired the recruitment of actin cytoskeletal proteins to the detergent-resistant membrane, which correlated with altered cholesterol distribution in PC-3 cells expressing PTRF. Consistent with this, modulating cellular cholesterol altered the actin cytoskeleton and protein secretion in PC-3 cells. Intriguingly, several proteins that function in ER to Golgi trafficking were reduced by PTRF expression. Taken together, these results suggest that the noncaveolar caveolin-1 found in prostate cancer cells generates a lipid raft microenvironment that accentuates secretion pathways, possibly at the step of ER sorting/exit. Importantly, these effects could be modulated by PTRF expression.

PTRF/cavin-1 neutralizes non-caveolar caveolin-1 microdomains in prostate cancer

Caveolin-1 has a complex role in prostate cancer and has been suggested to be a potential biomarker and therapeutic target. As mature caveolin-1 resides in caveolae, invaginated lipid raft domains at the plasma membrane, caveolae have been suggested as a tumor-promoting signaling platform in prostate cancer. However, caveola formation requires both caveolin-1 and cavin-1 (also known as PTRF; polymerase I and transcript release factor). Here, we examined the expression of cavin-1 in prostate epithelia and stroma using tissue microarray including normal, non-malignant and malignant prostate tissues. We found that caveolin-1 was induced without the presence of cavin-1 in advanced prostate carcinoma, an expression pattern mirrored in the PC-3 cell line. In contrast, normal prostate epithelia expressed neither caveolin-1 nor cavin-1, while prostate stroma highly expressed both caveolin-1 and cavin-1. Utilizing PC-3 cells as a suitable model for caveolin-1-positive advanced prostate cancer, we found that cavin-1 expression in PC-3 cells inhibits anchorage-independent growth, and reduces in vivo tumor growth and metastasis in an orthotopic prostate cancer xenograft mouse model. The expression of α-smooth muscle actin in stroma along with interleukin-6 (IL-6) in cancer cells was also decreased in tumors of mice bearing PC-3-cavin-1 tumor cells. To determine whether cavin-1 acts by neutralizing caveolin-1, we expressed cavin-1 in caveolin-1-negative prostate cancer LNCaP and 22Rv1 cells. Caveolin-1 but not cavin-1 expression increased anchorage-independent growth in LNCaP and 22Rv1 cells. Cavin-1 co-expression reversed caveolin-1 effects in caveolin-1-positive LNCaP cells. Taken together, these results suggest that caveolin-1 in advanced prostate cancer is present outside of caveolae, because of the lack of cavin-1 expression. Cavin-1 expression attenuates the effects of non-caveolar caveolin-1 microdomains partly via reduced IL-6 microenvironmental function. With circulating caveolin-1 as a potential biomarker for advanced prostate cancer, identification of the molecular pathways affected by cavin-1 could provide novel therapeutic targets.

脂筏极化参与活性氧介导的白杄花粉管顶端生长

质膜上存在一种富含甾醇物质的液相有序膜脂微区，被称作脂筏 (lipid rafts或lipid microdomains)。这种小的膜微区可以通过在质膜上的侧向移动，聚集形成较大的片状结构，而与微区相关联的蛋白可以通过脂筏的这种聚合作用而凝聚分布于特定的亚细胞结构上。脂筏区域在真菌和动物质膜上具极性分布，并参与细胞的极性形态建成和运动。最近，通过生物化学研究证实，脂筏也存在于植物细胞，然而迄今为止，脂筏与植物细胞极性生长相关联的直接功能证据尚未见报道。 NADPH氧化酶 (NOX，在植物中又称为 Rboh) 产生的活性氧 (Reactive oxygen species, ROS) 可能是调控植物细胞（包括花粉管、根毛和墨角藻合子等）极性生长的通用信号机制。花粉管作为研究细胞极性控制的一种理想模式系统，已被许多信号转导调控研究所采用。在本研究中，我们使用一种能螯合甾醇类物质的多烯类抗生素filipin破坏脂筏结构，以探讨脂筏极化对ROS介导的白杄花粉管极性生长的作用。 我们首次在白杄 (Picea meyeri) 花粉管上应用一种全新的苯乙烯基染料di-4-ANEPPDHQ，成功地在活体细胞上观察到脂筏在花粉管生长顶端的极性分布模式。通过脂筏和甾醇在质膜上的相似定位清楚表明：在花粉管极性生长过程中，存在富含甾醇类物质的质膜微区在花粉管生长顶端的极化现象。 氮蓝四唑（NBT）的还原和二氯二氢荧光素（H2DCF）的氧化均显示，在活跃生长的花粉管顶端区域存在一个以顶端为基底的陡峭ROS梯度，从而进一步验证了ROS在细胞极性生长过程中的信号作用。此外，我们还发现在生长花粉管的亚顶端位置有另一类性质的活性氧组分存在，该ROS组分与线粒体的能量代谢相关。研究结果首次揭示，在快速生长的花粉管中同时存在两类性质不同的ROS组分。 ROS是一种寿命很短而且容易扩散的分子，NADPH氧化酶产生的ROS信号在细胞伸长位点的准确定位是调控极性生长的必要条件。免疫共定位实验显示，NOX成簇极化分布于花粉管的生长顶端。使用filipin进行甾醇的螯合会破坏膜的异质性，干扰NOX簇在生长顶端的定位，减少了顶端的ROS形成，消弱了胞质Ca2+ 浓度梯度，进而抑制了花粉管的顶端生长。 在纯化质膜的基础上，我们使用Triton去垢剂处理结合Optiprep密度梯度离心，分离纯化了抗去垢剂抽提的质膜微区 (Detergent-resistant microdomains, DRMs)。通过免疫印迹分析证实，NADPH氧化酶部分地存在于DRMs中。非变性胶活性实验证明，该酶需要脂筏定位来保持酶活性。因此我们认为，在正常的细胞极性生长中，脂筏招募并运载NADPH氧化酶到花粉管的生长顶端，并为NOX及其活性亚基的有效互作提供了适宜的微环境，由此保证了NOX蛋白产生ROS的较高酶活性，进而维持花粉管的极性顶端生长。 总之，甾醇螯合对白杄花粉管生长影响的研究，为脂筏极化在花粉管极性生长中的作用提供了证据。基于以上生物化学和细胞生物学的结果，我们针对花粉管中富含甾醇的脂筏微区和NOX功能之间的联系，提出了一种假说模式：(1) 植物细胞质膜上的脂筏为信号分子ROS在特定位点的聚集提供了物理载体；(2) 脂筏的完整性和甾醇依赖性对NOX的定位和活性是必要的，并为花粉管细胞极性产生和维持所必需。上述研究结果表明，脂筏在花粉管顶端的极化，以及作为关键生长因子的NOX在质膜脂筏中的定位，对花粉管的高度极性生长具有重要作用。

Nouveaux paramètres d'exploration de la fonction plaquettaire en clinique : thrombose tardive, profilage micro-membranaire et détection de sous-populations cellulaires

Les plaquettes sanguines sont les principaux acteurs de l’hémostase primaire et de la thrombose, deux éléments majeurs de la physiopathologie vasculaire. Plusieurs médicaments régulent les fonctions plaquettaires mais peu de tests sont validés pour suivre leur efficacité en fonction de l’évolution clinique des patients. Mon doctorat a eu pour but de développer de nouvelles approches d’évaluation de la fonction plaquettaire. Deux essais cliniques réalisés sur des patients atteints de syndrome coronarien stable ont constitué la première partie de mon doctorat. La première étude met en évidence la nécessité d'une standardisation des tests biologiques pour la détection de patients répondant moins au clopidogrel, un inhibiteur du récepteur plaquettaire de l'ADP P2Y12. L’étude suivante montre le potentiel thérapeutique, chez ces patients, de l’inhibition conjointe de P2Y12 et du second récepteur plaquettaire de l'ADP P2Y1, sur la fonction plaquettaire. De plus, le suivi en temps réel par vidéomiscroscopie a permis de distinguer des effets précoces et tardifs des antiplaquettaires sur la formation du thrombus en chambre de perfusion. La seconde partie de mon doctorat concerne les microdomaines membranaires de type « lipid rafts » qui tiennent une place fondamentale dans les fonctions cellulaires et plaquettaires. Ainsi plusieurs récepteurs dépendent de ces microdomaines, régulant la fonction plaquettaire et les effets des médicaments antiplaquettaires. Cependant, les techniques d’étude de ces microdomaines sont complexes et peu adaptées aux études cliniques. Profitant de nouvelles sondes fluorescentes sensibles au niveau d’ordre liquide membranaire (OLM), nous avons développé une méthode de mesure de l’OLM par cytométrie de flux spectrale. Grâce à cette approche, nous avons montré que l’activation plaquettaire diminue l’OLM alors qu’il est augmenté chez des patients traités par un inhibiteur de la synthèse du cholestérol ou par le clopidogrel. Nous avons également mis en évidence, en condition de forces de cisaillement élevées correspondant à celles retrouvées au niveau de sténoses artérielles, une sous-population plaquettaire présentant un OLM plus bas. Le passage dans le domaine clinique de ces approches fondamentales qui privilégient l’étude dynamique des plaquettes pourrait permettre d’améliorer le diagnostique et le suivi de traitement de pathologies cardiovasculaires.

Régulation moléculaire de la barrière hémo-encéphalique

La Sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immune inflammatoire démyélinisante du système nerveux central (SNC), lors de laquelle des cellules inflammatoires du sang périphérique infiltrent le SNC pour y causer des dommages cellulaires. Dans ces réactions neuroinflammatoires, les cellules immunitaires traversent le système vasculaire du SNC, la barrière hémo-encéphalique (BHE), pour avoir accès au SNC et s’y accumuler. La BHE est donc la première entité que rencontrent les cellules inflammatoires du sang lors de leur migration au cerveau. Ceci lui confère un potentiel thérapeutique important pour influencer l’infiltration de cellules du sang vers le cerveau, et ainsi limiter les réactions neuroinflammatoires. En effet, les interactions entre les cellules immunitaires et les parois vasculaires sont encore mal comprises, car elles sont nombreuses et complexes. Différents mécanismes pouvant influencer la perméabilité de la BHE aux cellules immunitaires ont été décrits, et représentent aujourd’hui des cibles potentielles pour le contrôle des réactions neuro-immunes. Cette thèse a pour objectif de décrire de nouveaux mécanismes moléculaires opérant au niveau de la BHE qui interviennent dans les réactions neuroinflammatoires et qui ont un potentiel thérapeutique pour influencer les interactions neuro-immunologiques. Ce travail de doctorat est séparé en trois sections. La première section décrit la caractérisation du rôle de l’angiotensine II dans la régulation de la perméabilité de la BHE. La seconde section identifie et caractérise la fonction d’une nouvelle molécule d’adhérence de la BHE, ALCAM, dans la transmigration de cellules inflammatoires du sang vers le SNC. La troisième section traite des propriétés sécrétoires de la BHE et du rôle de la chimiokine MCP-1 dans les interactions entre la BHE et les cellules souches. Dans un premier temps, nous démontrons l’importance de l’angiotensinogène (AGT) dans la régulation de la perméabilité de la BHE. L’AGT est sécrété par les astrocytes et métabolisé en angiotensine II pour pouvoir agir au niveau des CE de la BHE à travers le récepteur à l’angiotensine II, AT1 et AT2. Au niveau de la BHE, l’angiotensine II entraîne la phosphorylation et l’enrichissement de l’occludine au sein de radeaux lipidiques, un phénomène associé à l’augmentation de l’étanchéité de la BHE. De plus, dans les lésions de SEP, on retrouve une diminution de l’expression de l’AGT et de l’occludine. Ceci est relié à nos observations in vitro, qui démontrent que des cytokines pro-inflammatoires limitent la sécrétion de l’AGT. Cette étude élucide un nouveau mécanisme par lequel les astrocytes influencent et augmentent l’étanchéité de la BHE, et implique une dysfonction de ce mécanisme dans les lésions de la SEP où s’accumulent les cellules inflammatoires. Dans un deuxième temps, les techniques établies dans la première section ont été utilisées afin d’identifier les protéines de la BHE qui s’accumulent dans les radeaux lipidiques. En utilisant une technique de protéomique nous avons identifié ALCAM (Activated Leukocyte Cell Adhesion Molecule) comme une protéine membranaire exprimée par les CE de la BHE. ALCAM se comporte comme une molécule d’adhérence typique. En effet, ALCAM permet la liaison entre les cellules du sang et la paroi vasculaire, via des interactions homotypiques (ALCAM-ALCAM pour les monocytes) ou hétérotypiques (ALCAM-CD6 pour les lymphocytes). Les cytokines inflammatoires augmentent le niveau d’expression d’ALCAM par la BHE, ce qui permet un recrutement local de cellules inflammatoires. Enfin, l’inhibition des interactions ALCAM-ALCAM et ALCAM-CD6 limite la transmigration des cellules inflammatoires (monocytes et cellules T CD4+) à travers la BHE in vitro et in vivo dans un modèle murin de la SEP. Cette deuxième partie identifie ALCAM comme une cible potentielle pour influencer la transmigration de cellules inflammatoires vers le cerveau. Dans un troisième temps, nous avons pu démontrer l’importance des propriétés sécrétoires spécifiques à la BHE dans les interactions avec les cellules souches neurales (CSN). Les CSN représentent un potentiel thérapeutique unique pour les maladies du SNC dans lesquelles la régénération cellulaire est limitée, comme dans la SEP. Des facteurs qui limitent l’utilisation thérapeutique des CSN sont le mode d’administration et leur maturation en cellules neurales ou gliales. Bien que la route d’administration préférée pour les CSN soit la voie intrathécale, l’injection intraveineuse représente la voie d’administration la plus facile et la moins invasive. Dans ce contexte, il est important de comprendre les interactions possibles entre les cellules souches et la paroi vasculaire du SNC qui sera responsable de leur recrutement dans le parenchyme cérébral. En collaborant avec des chercheurs de la Belgique spécialisés en CSN, nos travaux nous ont permis de confirmer, in vitro, que les cellules souches neurales humaines migrent à travers les CE humaines de la BHE avant d’entamer leur différenciation en cellules du SNC. Suite à la migration à travers les cellules de la BHE les CSN se différencient spontanément en neurones, en astrocytes et en oligodendrocytes. Ces effets sont notés préférentiellement avec les cellules de la BHE par rapport aux CE non cérébrales. Ces propriétés spécifiques aux cellules de la BHE dépendent de la chimiokine MCP-1/CCL2 sécrétée par ces dernières. Ainsi, cette dernière partie suggère que la BHE n’est pas un obstacle à la migration de CSN vers le SNC. De plus, la chimiokine MCP-1 est identifiée comme un facteur sécrété par la BHE qui permet l’accumulation et la différentiation préférentielle de cellules souches neurales dans l’espace sous-endothélial. Ces trois études démontrent l’importance de la BHE dans la migration des cellules inflammatoires et des CSN vers le SNC et indiquent que de multiples mécanismes moléculaires contribuent au dérèglement de l’homéostasie du SNC dans les réactions neuro-immunes. En utilisant des modèles in vitro, in situ et in vivo, nous avons identifié trois nouveaux mécanismes qui permettent d’influencer les interactions entre les cellules du sang et la BHE. L’identification de ces mécanismes permet non seulement une meilleure compréhension de la pathophysiologie des réactions neuroinflammatoires du SNC et des maladies qui y sont associées, mais suggère également des cibles thérapeutiques potentielles pour influencer l’infiltration des cellules du sang vers le cerveau

The bile acid receptor TGR5 does not interact with β-arrestins or traffic to endosomes but transmits sustained signals from plasma membrane rafts.

TGR5 is a G protein-coupled receptor that mediates bile acid (BA) effects on energy balance, inflammation, digestion and sensation. The mechanisms and spatiotemporal control of TGR5 signaling are poorly understood. We investigated TGR5 signaling and trafficking in transfected HEK293 cells and colonocytes (NCM460) that endogenously express TGR5. BAs (deoxycholic acid, DCA, taurolithocholic acid, TLCA) and the selective agonists oleanolic acid (OA) and 3-(2-chlorophenyl)-N-(4-chlorophenyl)-N, 5-dimethylisoxazole-4-carboxamide (CCDC) stimulated cAMP formation but did not induce TGR5 endocytosis or recruitment of β-arrestins, assessed by confocal microscopy. DCA, TLCA and OA did not stimulate TGR5 association with β-arrestin 1/2 or G protein-coupled receptor kinase (GRK) 2/5/6, determined by bioluminescence resonance energy transfer. CCDC stimulated a low level of TGR5 interaction with β-arrestin2 and GRK2. DCA induced cAMP formation at the plasma membrane and cytosol, determined using exchange factor directly regulated by cAMP (Epac2)-based reporters, but cAMP signals did not desensitize. AG1478, an inhibitor of epidermal growth factor receptor (EGFR) tyrosine kinase, the metalloprotease inhibitor batimastat, and methyl-β-cyclodextrin and filipin, which block lipid raft formation, prevented DCA stimulation of extracellular signal regulated kinase (ERK1/2). BRET analysis revealed TGR5 and EGFR interactions that were blocked by disruption of lipid rafts. DCA stimulated TGR5 redistribution to plasma membrane microdomains, localized by immunogold electron microscopy. Thus, TGR5 does not interact with β-arrestins, desensitize or traffic to endosomes. TGR5 signals from plasma membrane rafts that facilitate EGFR interaction and transactivation. An understanding of the spatiotemporal control of TGR5 signaling provides insights into the actions of BAs and therapeutic TGR5 agonists/antagonists.

Vesicles with charged domains

This work summarizes results obtained on membranes composed of the ternary mixture dioleoylphosphatidylglycerol (DOPG), egg sphingomyelin (eSM) and cholesterol (Chol). The membrane phase state as a function of composition is characterized from data collected with fluorescence microscopy on giant unilamellar vesicles. The results suggest that the presence of the charged DOPG significantly decreases the composition region of coexistence of liquid ordered and liquid disordered phases as compared to that in the ternary mixture of dioleoylphosphatidycholine, sphingomyelin and cholesterol. The addition of calcium chloride to DOPG:eSM:Chol vesicles, and to a lesser extent the addition of sodium chloride, leads to the stabilization of the two-phase coexistence region, which is expressed in an increase in the miscibility temperature. On the other hand, addition of the chelating agent EDTA has the opposite effect, suggesting that impurities of divalent cations in preparations of giant vesicles contribute to the stabilization of charged domains. We also explore the behavior of these membranes in the presence of extruded unilamellar vesicles made of the positively charged lipid dioleoyltrimethylammoniumpropane (DOTAP). The latter can induce domain formation in DOPG:eSM:Chol vesicles with initial composition in the one-phase region. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Mechanismen der Caveolin-Genregulation in neuralen Zellsystemen

Caveolae sind vesikuläre Invaginationen der eukaryontischen Zellmembran, die bei einer Vielzahl zellbiologischer Prozesse eine bedeutende Rolle spielen. Die strukturellen und funktionellen Hauptbestandteile der Caveolae sind die Caveolin-Proteine, welche von drei homologen Genen (Caveolin-1,-2,-3) kodiert werden. Die Caveoline stellen die Struktur-Organisatoren der Caveolae dar, und regulieren direkt die Aktivität von zahlreichen Caveolae-assoziierten Rezeptorproteinen und Signalmolekülen. Oftmals werden die pleiotropen Effekte der Caveoline über eine Veränderung der Caveolin-Genexpressionsstärke moduliert. In der vorliegenden Arbeit wurden drei unterschiedliche biologische Steuerfaktoren identifiziert, unter deren Kontrolle die Caveolin-Genexpression in neuralen Zellsystemen steht. Bei diesen Faktoren handelt es sich um das Steroidhormon Oestrogen und seine Rezeptoren, den Wachstumsfaktor TGFa und den sekundären Botenstoff zyklisches AMP (cAMP). Oestrogen wirkt über die Aktivierung von Oestrogen-Rezeptoren (ERs) im zentralen Nervensystem in der Regel als neurotropher Faktor. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, daß in humanen Neuroblastom-Zellen (SK-N-MC) die stabile, rekombinante Expression des ERa-Subtyps zu einer drastischen Reduktion der Caveolin-1/-2-Transkription führt, und daß in der Folge die zelluläre Caveolin-Biosynthese eingestellt wird. Eine Analyse des Caveolin-1-Gens ergab, daß einhergehend mit der Inaktivierung der Caveolin-1-Transkription eine Vielzahl der im Promoter enthaltenen CpG-Dinukleotide methyliert vorliegen. Durch pharmakologische Inhibition der nukleären DNA-Methyltransferasen sowie der Histon-Deacetylasen konnte die Caveolin-1-Transkription teilweise wiederhergestellt werden. Diese Befunde lassen auf die Existenz eines DNA-Methylierungs-abhängigen Stilllegungsmechanismus der Caveolin-Genexpression durch ERa schließen. Dagegen führte die Überexpression des ERb-Subtyps in SK-N-MC-Zellen zu keiner Veränderung der Caveolin-1/-2-Expression. Interessanterweise wurde die supprimierende Wirkung des ERa durch die gleichzeitige Überexpression des ERb vollständig aufgehoben. Der mitogene Wachstumsfaktor TGFa wurde als zweites extrazelluläres Signalmolekül identifiziert, welches eine Reduktion der Caveolin-1/-2-Genexpression bewirkt. In primären kortikalen Astrozyten konnte gezeigt werden, daß TGFa seine supprimierende Wirkung auf die Caveolin-1-Expression partiell über die Aktivierung des PI3-Kinase-abhängigen Signalweges vermittelt. Zudem wurde die supprimierende Wirkung von TGFa durch einen Inhibitior der Histon-Deacetylasen relativiert. Daher scheinen sowohl für den ERa als auch für TGFa epigenetische Prozesse bei der Suppression der Caveolin-1-Genexpression eine entscheidende Rolle zu spielen. Intrazellulär wirkte neben der PI3-Kinase auch der Botenstoff cAMP in kortikalen Astrozyten als Suppressor der Caveolin-Genexpression. Es wäre denkbar, daß die Caveolin-Suppression funktioneller Bestandteil des seit langem etablierten Effekts der cAMP-induzierten Astrozyten-Differenzierung ist. Desweiteren wiesen der cAMP- und TGFa-abhängige Signalweg ein überlappendes, Gehirnregion-spezifisches Regulationsprofil der Caveolin-Expression in Astrozyten auf: während in Kortex und Striatum eine Regulation durch cAMP und TGFa erfolgte, blieb diese in Klein- und Zwischenhirn aus. Somit bewirken drei zentrale regulatorische Faktoren der Proliferation und Differenzierung neuraler Zellen eine Reduktion in der Konzentration der pleiotrop funktionellen Caveoline. Zukünftige Studien müssen zeigen, inwieweit die reduzierte Caveolin-Expression für die morphologischen und biochemischen Primärwirkungen dieser Faktoren während der Entwicklung und im Zuge der Tumorgenese mitverantwortlich ist. Außerdem könnten über die Beobachtungen der zellbiologischen Auswirkungen reduzierter Caveolin-Spiegel neue Erkenntnisse über die Funktion dieser Proteine gewonnen werden.

Die Prozessierung des humanen Amyloid-Vorläuferproteins im Verlauf der replikativen Seneszenz

Die Alterung stellt den größten Risikofaktor für die Entwicklung der Alzheimer Krankheit dar, wobei die biochemische Basis dieser Korrelation bisher nicht bekannt ist. Ein möglicherweise zentraler Mechanismus der Alzheimer Pathologie wird durch die Prozessierung von APP repräsentiert, die in der Synthese von Aβ resultiert. Der Einfluss zellulärer Alterung auf die Biochemie der APP-Prozessierung ist bislang weitestgehend ungeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Prozessierung von endogenem APP im Verlauf der Zellalterung humaner Fibroblasten progressiv verringert wird. Die Bildung der intrazellulären APP-Spaltfragmente (C99, C83 und AICD) nahm mit zunehmender Lebensspanne ab und war gleichfalls mit einer reduzierten Synthese von extrazellulären APP-Fragmenten (sAPP, sAPPα) verbunden. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass die Reifung von APP in seneszenten Zellen selektiv reduziert war, und dass dies durch altersabhängig erhöhte zelluläre Cholesterolspiegel vermittelt wurde. Von den APP-prozessierenden Sekretasen waren die Proteinspiegel von Presenilin-1 und Nicastrin, beides Komponenten der γ-Sekretase, im Verlauf der Zellalterung graduell verringert. Dies hatte einen progressiven Rückgang der enzymatischen Aktivität der γ-Sekretase zur Folge, wodurch die Prozessierung von APP unmittelbar reduziert wurde. Die Proteinspiegel von ADAM10, einer α-Sekretase, sowie der β-Sekretase, BACE, wiesen keine Altersregulation auf, aber interessanterweise wurde eine erhöhte enzymatische Aktivität der β-Sekretase in seneszenten Zellen nachgewiesen. Die γ-Sekretase sowie BACE sind in Lipid Rafts lokalisiert, geordneten Membransubdomänen, die hohe Cholesterol- und Caveolin-1-Spiegel aufweisen. Obwohl das Gesamtniveau dieser strukturellen Komponenten von Lipid Rafts in seneszenten Zellen erhöht war, war die Assoziation beider Moleküle mit Lipid Rafts reduziert und sie akkumulierten in speziellen Organellen, die höchstwahrscheinlich Lipidkörper darstellen. Somit wurde gezeigt, dass Lipid Rafts im Zuge der Zellalterung disintegrieren beziehungsweise in ihrem Gesamtspiegel reduziert waren. Diese altersabhängige Membranmodifikation war mit einer veränderten Verteilung von Presenilin-1 und BACE zwischen der Lipid Raft und der Nicht Raft Fraktion der Membran verbunden, die möglicherweise das Potential dieser Enzyme zur Prozessierung von APP reduzierte. In einem zweiten Teil der Arbeit wurden transgene C. elegans konstruiert, die humanes APP exprimieren, das C-terminal an GFP gekoppelt war. Diese Würmer wiesen eine reduzierte Fertilität, Eilegedefekte und eine verzögerte post-embryonale Entwicklung auf, die möglicherweise auf eine Transgen-vermittelte Neurodegeneration zurückgeführt werden können. Durch erste Untersuchungen der Prozessierung des Transgens konnten Spaltfragmente nachgewiesen werden, die potentiell auf eine spezifische Spaltung von APP durch die endogenen Sekretasen schließen lassen. Somit werden die Prozessierung sowie die Reifung von APP durch die altersabhängige Modifikationen zellulärer Biochemie nachhaltig beeinflusst. Zukünftige Studien sollen zeigen, ob sich diese zellulären Zusammenhänge in den Gesamtorganismus C. elegans übertragen lassen. Des Weiteren sollen die altersabhängigen zellulären Veränderungen, insbesondere des Cholesterol-Metabolismus und der Sekretaseaktivitäten, weitergehend analysiert werden, um zusätzliche Erkenntnisse über altersassoziierte Regulationen möglicher therapeutischer Ziele der Alzheimer Erkrankung zu gewinnen.