Endocytosis, autophagy and JNK inhibition in neuroprotection against excitotoxicity and neonatal cerebral ischemia

Abstract : Neonatal stroke occurs in 1 out of 4000 live births and usually leads to serious motor and cognitive disabilities. Ischemic brain injury results from a complex of pathophysiological events that evolve over space and time making it difficult to devise successful therapy. To date, there are no effective treatments for perinatal brain damage. Most clinical trials of neuroprotectaot drugs have failed because of their side-effects. For this reason it is important to find ways to target drugs specifically into the stressed cells. In this study we plan to contribute to the development of an efficient neuroprotective strategy against excitotoxic cell death in the neonate. In order to achieve this goal, several strategies were followed. A recently described phenomenon of induced endocytosis associated with excitotoxicity was more deeply investigated. As a simplified model we used dissociated cortical neurons exposed to an excitotoxic dose of NMDA, and we showed that this phenomenon depends on clathrin and dynamin. Using a model of neonatal focal cerebral ischemia, we demonstrated that the excitotoxicity-related endocytosis targets molecules such as TAT peptides into stressed neurons. These appear to be viable, raising the possibility of using this phenomenon as a doorway for neuroprotection. One part of the project was devoted to the study of the TAT-conjugated JNK inhibitory peptide, D-JNKI1. Adose-response study showed strong neuroprotection over a wide dose-range in the case of delayed administration (either intravenous or intraperitoneal). Since D-JNKI1 is aTAT-linked peptide, we investigated the role of its own NMDA-induced endocytosis in its neuroprotective efficacy. Furthermore, we showed that this endocytosis is JNK dependent, and that D-JNKI1 regulates its own uptake. We additionally studied the different types of cell death involved in a model of neonatal focal cerebral ischemia. Necrosis occurred rapidly in the center of the lesion whereas apoptosis and autophagic cell death occurred late at the lesion border. Inhibiting apoptosis was not protective, but use of autophagy inhibitor 3methyladenine provided a strong neuroprotection. Finally, combining two neuroprotectants that target different intracellular pathways was neuroprotective in a severe model of cerebral ischemia where neither of the drugs was efficient when administered individually. Résumé : L'ischémie néonatale connaît une incidence de 1 naissance sur 4000, entraînant généralement de sérieux dysfonctionnements moteurs et cognitifs. L'ischémie cérébrale résulte d'évènements physiopathologiques complexes qui évoluent dans l'espace et le temps rendant difficile la conception de thérapies efficaces. A l'heure actuelle, aucun traitement n'existe pour lutter contre les accidents vasculaires cérébraux qui se produisent autour de la naissance. La plupart des essais cliniques concernant des molécules neuroprotectrices ont échoué du fait de leurs effets secondaires néfastes. Pour cette raison, il est important de trouver des moyens de cibler les drogues dans les cellules stressées spécifiquement. Dans cette étude nous visons à participer au développement d'une stratégie neuroprotectrice efficace contre l'ischémie cérébrale chez le nouveau-né. Dans ce but, plusieurs stratégies ont été poursuivies. Un nouveau phénomène d'endocytose induite par un stimulus excitotoxique a été récemment décrit. Une partie de cette étude va consister à mieux comprendre ce phénomène. Pour céla, nous avons utilisé comme modèle d'étude simplifié des cultures dissociées de neurones corticaux exposées à une dose excitotoxique de NMDA. Nous avons ainsi montré que cette endocytose associée à l'excitotoxicité dépend de la clathrine et de la dynamine. A l'aide d'un modèle d'ischémie cérébrale focale chez le raton de 12 jours, nous avons démontré que cette endocytose induite par l'excitotoxicité permet de cibler des molécules diverses et en particulier les peptides TAT dans les neurones stressés. Ces neurones fortement endocytiques apparaissent comme étant encore viables, ouvrant la possibilité d'utiliser cette endocytose comme moyen d'entrée pour des molécules thérapeutiques. Une partie du projet a été consacrée à l'étude d'un inhibiteur de la voie JNK, couplé au TAT, appelé D-JNKI1. Des études de dose réponse du D-JNKI1 ont été réalisées chez l'animal, testant les effets d'une administration retardée en injection intraveineuse ou intra péritonéale. Ces études démontrent qu'une large gamme de dose permet d'obCenir une réduction de la taille de la lésion. Comme D-JNK11 est couplé au peptide TAT, nous avons étudié la contribution que sa propre endocytose lors de l'excitotoxicité apporte à ses effets protecteurs. Par ailleurs, nous avons montré que cette endocytose induite par l'excitotoxicité dépend de la voie de signalisation JNK et que D-JNK11 est donc capable de réguler sa propre entrée. Nous avons en parallèle étudié les différents types de mort cellulaires impliqués dans le développement de la lésion dans un modèle sévère d'ischémie cérébrale chez le raton nouveau-né. La mort cellulaire par nécrose se développe rapidement dans le centre de la lésion alors que les morts cellulaires par apoptose et autophagique vont apparaître plus tard et au bord de la lésion. Inhiber l'apoptose n'a pas permis de réduire la taille de la lésion alors que l'utilisation d'un inhibiteur d'autophagie, la 3-méthyladénine, procure une forte neuroprotection. Finalement, la combinaison de deux peptides qui ciblent différentes voies de signalisation intracellulaire permet d'obtenir une bonne protection dans le modèle d'ischémie sévère dans lequel aucun des deux peptides administré séparément n'a donné d'effets bénéfiques.

Étude du mécanisme de transport des cations par la Na, K-ATPase et de son implication dans la migraine familiale hémiplégique de type 2

Résumé La Na,K-ATPase est une protéine transmembranaire, présente dans toutes les cellules de mammifères et indispensable à la viabilité cellulaire. Elle permet le maintien des gradients sodiques et potassiques à l'origine du potentiel membranaire en transportant 3 Na+ en dehors de la cellule contre 2 K+, grâce à l'énergie fournie par l'hydrolyse d'une molécule d'ATP. Le potentiel membranaire est indispensable au maintien de l'excitabilité cellulaire et à la transmission de l'influx nerveux. Il semblerait que la Na,K-ATPase soit liée à l'hypertension et à certains troubles neurologiques comme la Migraine Familiale Hémiplégique (1VIFH). La MFH est une forme de migraine avec aura, qui se caractérise par une hémiparésie. Cette forme de migraine est très rare. Elle se transmet génétiquement sur un mode autosomique dominant. Plusieurs mutations localisées dans le gène de la Na,K-ATPase ont été identifiées durant ces 3 dernières années. C'est la première fois qu'une maladie génétique est associée au gène de la Na,K-ATPase. La compréhension du fonctionnement de cette protéine peut donner des informations sur les mécanismes conduisant à ces pathologies. On sait que la fonction d'une protéine est liée à sa structure. L'étude de sa fonction nécessite donc l'étude de sa structure. Alors que la structure de la SERCA a été déterminée à haute résolution, par cristallographie, celle de la Na,K-ATPase ne l'est toujours pas. Mais ces 2 ATPases présentent une telle homologie qu'un modèle de la Na,K-ATPase a pu être élaboré à partir de la structure de la SERCA. Les objectifs de cette étude sont d'une part, de comprendre le contrôle de l'accessibilité du K+ extracellulaire àses sites de liaison. Pour cela, nous avons ciblé cette étude sur la 2ìème et la 31eme boucle extracellulaire, qui relient respectivement les segments transmembranaires (STM) 3-4 et 5-6. Le choix s'est porté sur ces 2 boucles car elles bordent le canal des cations formés des 4ième' Sième et 6'ème hélices. D'autre part, nous avons également essayer de comprendre les effets des mutations, liées à la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2 (MFH2), sur la fonctionnalité de la Na,K-ATPase. Alors que les STM et les domaines cytoplasmiques sont relativement proches entre la Na,KATPase et la SERCA, les boucles extracellulaires présentent des différences. Le modèle n'est donc pas une approche fiable pour déterminer la structure et la fonction des régions extracellulaires. Nous avons alors utilisé une approche fonctionnelle faisant appel à la mutation dirigée puis à l'étude de l'activité fonctionnelle de la Na,K ATPase par électrophysiologie sur des ovocytes de Xenopus. En conclusion, nous pouvons dire que la troisième boucle extracellulaire participerait à la structure de la voie d'entrée des cations et que la deuxième boucle extracellulaire semble impliquée dans le contrôle de l'accessibilité des ions K+àses sites de liaison. Concernant les mutations associées à la MFH2, nos résultats ont montré une forte diminution de l'activité fonctionnelle de la pompe Na,K, inférieure aux conditions physiologiques de fonctionnement, et pour une des mutations nous avons observés une diminution de l'affmité apparente au K+ externe. Nous poumons faire l'hypothèse que l'origine pathologique de la migraine est liée à une diminution de l'activité de la pompe à Na+. Summary The Na,K-ATPase is a transmembrane protein, present in all mammalian cells and is necessary for the viability of the cells. It maintains the gradients of Na+ and K+ involved in the membrane potential, by transporting 3Na+ out the cell, and 2K+ into the cell, using the energy providing from one ATP molecule hydrolysis. The membrane potential is necessary for the cell excitability and for the transmission of the nervous signal. Some evidence show that Na,K-ATPase is involved in hypertension and neurological disorders like the Familial Hemiplegic Migraine (FHM). La FHM is a rare form of migraine characterised by aura and hemiparesis and an autosomal dominant transmission. Several mutations linked to the Na,KATPase gene have been identified during these 3 last years. It's the first genetic disorder associated with the Na,K-ATPase gene. Understand the function of this protein is important to elucidate the mechanisms implicated in these pathologies. The function of a protein is linked with its structure. Thus, to know the function of a protein, we need to know its structure. While the Ca-ATPase (SERCA) has been crystallised with a high resolution, the structure of the Na,K-ATPase is not known. Because of the great homology between these 2 ATPases, a model of the Na,K-ATPase was realised by comparing with the structure of the SERCA. The aim of this study is on one side, understand the control of the extracellular K+ accessibility to their binding sites. Because of theirs closed proximity with the cation pathway, located between the 4th, 5th and 6th helices, we have targeted this study on the 2nd and the 3rd extracellular loops linking respectively the transmembrane segment (TMS) 3 and 4, and the TMS 5 and 6. And on the other side, we have tried to understand the functional effects of mutations linked with the Familial Hemiplegic Migraine Type 2 (FHM2). In contrast with the transmembrane segments and the cytoplasmic domains, the extracellular loops show lots of difference between Na,K-ATPase and SERCA, the model is not a good approach to know the structure and the function of the extracellular loops. Thus, we have used a functional approach consisting in directed mutagenesis and the study of the functional activity of the Na,K-ATPase by electrophysiological techniques with Xenopus oocytes. In conclusion, we have demonstrated that the third extracellular loop could participate in the structure of the entry of the cations pathway and that the second extracellular loop could control the K+ accessibility to their binding sites. Concerning the mutations associated with the FHM2, our results showed a strong decrease in the functional activity of the Na,K-pump under physiological conditions and for one of mutations, induce a decrease in the apparent external K+ affinity. We could make the hypothesis that the pathogenesis of migraine is related to the decrease in Na,K-pump activity. Résumé au large publique De la même manière que l'assemblage des mots forme des phrases et que l'assemblage des phrases forme des histoires, l'assemblage des cellules forme des organes et l'ensemble des organes constitue les êtres vivants. La fonction d'une cellule dans le corps humain peut se rapprocher de celle d'une usine hydroélectrique. La matière première apportée est l'eau, l'usine électrique va ensuite convertir l'eau en énergie hydraulique pour fournir de l'électricité. Le fonctionnement de base d'une cellule suit le même processus. La cellule a besoin de matières premières (oxygène, nutriments, eau...) pour produire une énergie sous forme chimique, l'ATP. Cette énergie est utilisée par exemple pour contracter les muscles et permet donc à l'individu de se déplacer. Morphologiquement la cellule est une sorte de petit sac rempli de liquide (milieu intracellulaire) baignant elle-même dans le liquide (milieu extracellulaire) composant le corps humain (un adulte est constitué environ de 65 % d'eau). La composition du milieu intracellulaire est différente de celle du milieu extracellulaire. Cette différence doit être maintenue pour que l'organisme fonctionne correctement. Une des différences majeures est la quantité de sodium. En effet il y a beaucoup plus de sodium à l'extérieur qu'à l'intérieur de la cellule. Bien que l'intérieur de la cellule soit isolé de l'extérieur par une membrane, le sodium arrive à passer à travers cette membrane, ce qui a tendance à augmenter la quantité de sodium dans la cellule et donc à diminuer sa différence de concentration entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. Mais dans les membranes, il existe des pompes qui tournent et dont le rôle est de rejeter le sodium de la cellule. Ces pompes sont des protéines connues sous le nom de pompe à sodium ou Na,K-ATPase. On lui attribue le nom de Na,K-ATPase car en réalité elle rejette du sodium (Na) et en échange elle fait entrer dans la cellule du potassium (K), et pour fonctionner elle a besoin d'énergie (ATP). Lorsque les pompes à sodium ne fonctionnent pas bien, cela peut conduire à des maladies. En effet la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2, est une migraine très rare qui se caractérise par l'apparition de la paralysie de la moitié d'un corps avant l'apparition du mal de tête. C'est une maladie génétique (altération qui modifie la fonction d'une protéine) qui touche la pompe à sodium située dans le cerveau. On a découvert que certaines altérations (mutations) empêchent les pompes à sodium de fonctionner correctement. On pense alors que le développement des migraines est en partie dû au fait que ces pompes fonctionnent moins bien. Il est important de bien connaître la fonction de ces pompes car cela permet de comprendre des mécanismes pouvant conduire à certaines maladies, comme les migraines. En biologie, la fonction d'une protéine est étudiée à travers sa structure. C'est pourquoi l'objectif de cette thèse a été d'étudier la structure de la Na,K-ATPase afin de mieux comprendre son mécanisme d'action.

Insights into the molecular machinery of piecemeal microautophagy of the nucleus in "Saccharomyces cerevisiae"

Résumé : La microautophagie du noyau est un processus découvert chez la levure S. cerevisiae qui vise la dégradation de portions nucléaires dans la lumière vacuolaire. Ce processus appelé PMN (de l'anglais Piecemeal Microautophagy of the Nucleus) est induit dans des conditions de stress cellulaire comme la privation de nutriments, mais également par l'utilisation d'une drogue : la rapamycine. La PMN est due à l'interaction directe d'une protéine de la membrane externe de l'enveloppe nucléaire Nvj1p, et d'une protéine de la membrane vacuolaire Vac8p. L'interaction de ces deux protéines forme la jonction noyau-vacuole. Cette jonction guide la formation d'une invagination, qui englobe et étire vers la lumière vacuolaire une partie du noyau sous la forme d'un sac. Il s'en suit la libération d'une vésicule dégradée par les hydrolases. Les mécanismes moléculaires intervenant à différentes étapes de ce processus sont inconnus. Le but de ma thèse est de mettre en évidence de nouveaux acteurs qui interviennent dans la PMN. Dans la première partie de cette étude, nous présentons une procédure de sélection à la recherche de candidats jouant un rôle dans la PMN. Cette sélection a été effectuée dans la collection de mutants commercialisée chez Euroscarf. La procédure reposait sur l'observation que le nucléole (représenté par Nop1p) est le substrat préférentiel de la PMN dans des expériences de microscopie faites après induction de la PMN avec la rapamycine. Nous avons ainsi transformé la collection de mutants avec un plasmide portant le marqueur du nucléole Noplp. Par la suite, nous avons cherché par microscopie les mutants incapables de transférer Nop1p du noyau à la vacuole. Nous avons trouvé 318 gènes présentant un défaut de transfert de Nop1p par PMN. Ces gènes ont été classés par grandes familles fonctionnelles et aussi par leur degré de défaut de PMN. Egalement dans cette partie de l'étude, nous avons décrit des mutants impliqués dans le processus, à des étapes différentes. Dans la seconde partie de l'étude, nous avons regardé l'implication et le rôle de la V-ATPase, (une pompe à protons de la membrane vacuolaire}, sélectionnée parmi les candidats, dans le processus de PMN. Les inhibiteurs de ce complexe, comme la concanamycineA, bloquent l'activité PMN et semblent affecter le processus à deux étapes différentes. D'un autre côté, les jonctions «noyau-vacuole »forment une barrière de diffusion au niveau de la membrane vacuolaire, de laquelle Vphlp, une protéine de la V-ATPase, est exclue.

Involvement of the RasGAP derived fragment N in the resistance of pancreatic beta cells towards apoptosis

RESUME DESTINE AUX NON SCIENTIFIQUESLe diabète est une maladie associée à un excès de glucose (sucre) dans le sang. Le taux de glucose sanguin augmente lorsque l'action d'une hormone, l'insuline, responsable du transport du glucose du sang vers les tissus de l'organisme diminue, ou lorsque les quantités d'insuline à disposition sont inadéquates.L'une des causes communes entre les deux grands types de diabète connus, le type 1 et le type 2, est la disparition des cellules beta du pancréas, spécialisées dans la sécrétion d'insuline, par mort cellulaire programmée aussi appelée apoptose. Alors que dans le diabète de type 1, la destruction des cellules beta est causée par notre propre système immunitaire, dans le diabète de type 2, la mort de ces cellules, est principalement causée par des concentrations élevées de graisses saturés ou de molécules impliquées dans l'inflammation que l'on rencontre en quantités augmentées chez les personnes obèses. Etant donné l'augmentation épidémique du nombre de personnes obèses de par le monde, on estime que le nombre de personnes diabétiques (dont une majorité sont des diabétiques de type 2), va passer de 171 million en l'an 2000, à 366 million en l'an 2030, expliquant la nécessité absolue de mettre au point de nouvelles stratégies thérapeutique pour combattre cette maladie.L'apoptose est un processus complexe dont la dérégulation induit de nombreuses affections allant du cancer jusqu'au diabète. L'activation de caspase 3, une protéine clé contrôlant la mort cellulaire, était connue pour systématiquement mener à la mort cellulaire programmée. Ces dernières années, notre laboratoire a décrit des mécanismes de survie qui sont activés par caspase 3 et qui expliquent sans doute pourquoi son activation ne mène pas systématiquement à la mort cellulaire. Lorsqu'elle est faiblement activée, caspase 3 clive une autre protéine appelée RasGAP en deux protéines plus courtes dont l'une, appelée le fragment Ν a la particularité de protéger les cellules contre l'apoptose.Durant ma thèse, j'ai été impliqué dans divers projets destinés à mieux comprendre comment le fragment Ν protégeait les cellules contre l'apoptose et à savoir s'il pouvait être utilisé comme outil thérapeutique dans les conditions de survenue d'un diabète expérimental. C'est dans ce but que nous avons créé une souris transgénique, appelée RIP-N, exprimant le fragment Ν spécifiquement dans les cellules beta. Comme attendu, les cellules beta de ces souris étaient plus résistantes à la mort induite par des composés connus pour induire le diabète, comme certaines molécules induisant l'inflammation ou les graisses saturées. Nous avons ensuite pu montrer que les souris RIP-N étaient plus résistantes à la survenue d'un diabète expérimental que ce soit par l'injection d'une drogue induisant l'apoptose des cellules beta, que ce soit dans un fond génétique caractérisé par une attaque spontanée des cellules beta par le système immunitaire ou dans le contexte d'un diabète de type 2 induit par l'obésité. Dans plusieurs des modèles animaux étudiés, nous avons pu montrer que le fragment Ν protégeait les cellules en activant une voie protectrice bien connue impliquant successivement les protéines Ras, PI3K et Akt ainsi qu'en bloquant la capacité d'Akt d'activer le facteur NFKB, connu pour être délétère pour la survie de la cellule beta. La capacité qu'a le fragment Ν d'activer Akt tout en prévenant l'activation de NFKB par Akt est par conséquent particulièrement intéressante dans l'intégration des signaux régulant la mort cellulaire dans le contexte de la survenue d'un diabète.La perspective d'utiliser le fragment Ν comme outil thérapeutique dépendra de notre capacité à activer les signaux protecteurs induits par le fragment Ν depuis l'extérieur de la cellule ou de dériver des peptides perméables aux cellules possédant les propriétés du fragment N.2 SUMMARYDiabetes mellitus is an illness associated with excess blood glucose. Blood glucose levels raise when the action of insulin decreases or when insulin is provided in inappropriate amounts. In type 1 diabetes (T1D) as well as in type 2 diabetes (T2D), the insulin secreting beta cells in the pancreas undergo controlled cell death also called apoptosis. Whereas in T1D, beta cells are killed by the immune system, in T2D, they are killed by several factors, among which are increased blood glucose levels, increased levels of harmful lipids or pro-inflammatory cytokines that are released by the dysfunctional fat tissue of obese people. Given the epidemic increase in the number of obese people throughout the world, the number of diabetic people (a majority of which are type 2 diabetes) is estimated to rise from 171 million affected people in the year 2000 to 366 million in 2030 explaining the absolute requirement for new therapies to fight the disease.Apoptosis is a very complex process whose deregulation leads to a wide range of diseases going from cancer to diabetes. Caspase 3 although known as a key molecule controlling apoptosis, has been shown to have various other functions. In the past few years, our laboratory has described a survival mechanism, that takes place at low caspase activity and that might explain how cells that activate their caspases for reasons other than apoptosis survive. In such conditions, caspase 3 cleaves another protein called RasGAP into two shorter proteins, one of which, called fragment N, protects cells from apoptosis.We decided to check whether fragment Ν could be used as a therapeutical tool in the context of diabetes inducing conditions. We thus derived a transgenic mouse line, called RIP-N, in which the expression of fragment Ν is restricted to beta cells. As expected, the beta cells of these mice were more resistant ex-vivo to cell death induced by diabetes inducing factors. We then showed that the RIP-N transgenic mice were resistant to streptozotocin induced diabetes, a mouse model mimicking type 1 diabetes, which correlated to fewer number of apoptotic beta cells in the pancreas of the transgenic mice compared to their controls. The RIP-N transgene also delayed overt diabetes development in the NOD background, a mouse model of autoimmune type 1 diabetes, and delayed the occurrence of obesity induced hyperglycemia in a mouse model of type 2-like diabetes. Interestingly, fragment Ν was mediating its protection by activating the protective Akt kinase, and by blocking the detrimental NFKB factor. Our future ability to activate the protective signals elicited by fragment Ν from the outside of cells or to derive cell permeable peptides bearing the protective properties of fragment Ν might condition our ability to use this protein as a therapeutic tool.3 RESUMELe diabète est une maladie associée à un excès de glucose plasmatique. La glycémie augmente lorsque l'action de l'insuline diminue ou lorsque les quantités d'insuline à disposition sont inadéquates. Dans le diabète de type 1 (D1) comme dans le diabète de type 2 (D2), les cellules beta du pancréas subissent la mort cellulaire programmée aussi appelée apoptose. Alors que dans le D1 les cellules beta sont tuées par le système immunitaire, dans le D2 elles sont tuées par divers facteurs parmi lesquels on trouve des concentrations élevées de glucose, d'acides gras saturés ou de cytokines pro-inflammatoires qui sont sécrétées en concentrations augmentées par le tissu adipeux dysfonctionnel des personnes obèses. Etant donné l'augmentation épidémique du nombre de personnes obèses de par le monde, on estime que le nombre de personnes diabétiques (dont une majorité sont des diabétiques de type 2), va passer de 171 million en l'an 2000, à 366 million en l'an 2030, justifiant la nécessité absolue de mettre au point de nouvelles stratégies thérapeutique pour combattre cette maladie.L'apoptose est un processus complexe dont la dérégulation induit de nombreuses affections allant du cancer jusqu'au diabète. Caspase 3, bien que connue comme étant une protéine clé contrôlant l'apoptose a bien d'autres fonctions démontrées. Ces dernières années, notre laboratoire a décrit un mécanisme de survie qui est activé lorsque caspase 3 est faiblement activée et qui explique probablement comment des cellules qui ont activé leurs caspases pour une autre raison que l'apoptose peuvent survivre. Dans ces conditions, caspase 3 clive une autre protéine appelée RasGAP en deux protéines plus courtes dont l'une, appelée le fragment Ν a la particularité de protéger les cellules contre l'apoptose.Nous avons donc décidé de vérifier si le fragment Ν pouvait être utilisé comme outil thérapeutique dans les conditions de survenue d'un diabète expérimental. Pour se faire, nous avons créé une souris transgénique, appelée RIP-N, exprimant le fragment Ν spécifiquement dans les cellules beta. Comme attendu, les cellules beta de ces souris étaient plus résistantes ex-vivo à la mort induite par des facteurs pro-diabétogènes. Nous avons ensuite pu montrer que les souris RIP-N étaient plus résistantes à la survenue d'un diabète induit par la streptozotocine, un drogue mimant la survenue d'un D1 et que ceci était corrélée à une diminution du nombre de cellules en apoptose dans le pancréas des souris transgéniques comparé à leurs contrôles. L'expression du transgène a aussi eu pour effet de retarder la survenue d'un diabète franc dans le fond génétique NOD, un modèle génétique de diabète de type 1 auto-immun, ainsi que de retarder la survenue d'une hyperglycémie dans un modèle murin de diabète de type 2 induit par l'obésité. Dans plusieurs des modèles animaux étudiés, nous avons pu montrer que le fragment Ν protégeait les cellules en activant la kinase protectrice Akt ainsi qu'en bloquant le facteur délétère NFKB. La perspective d'utiliser le fragment Ν comme outil thérapeutique dépendra de notre capacité à activer les signaux protecteurs induits par le fragment Ν depuis l'extérieur de la cellule ou de dériver des peptides perméables aux cellules possédant les propriétés du fragment

Analysis of the mechanisms controlling the activity of flp1, a chromosomal passenger protein in the fission Schizosaccharomyces pombe

ABSTRACT In S. cerevisiae, the protein phosphatase Cdc14pwt is essential far mitotic exit through its contribution to reducing mitotic CDK activity. But Cdc14pwt also acts as a mare general temporal coordinator of mid and late mitotic events by controlling the partitioning of DNA, microtubule stability and cytokinesis. Cdc14pwt orthologs are well conserved from yeasts to humans, and sequence comparison revealed the presence of three domains, A, B and C, of which A and B form the catalytic domain. Cdc14pwt orthologs are regulated (in part) through cell cycle dependent changes in their localization. Some of them are thought to be kept inactive by sequestration in the nucleolus during interphase. This is the case for flp1pwt, the single identified Cdc14pwt ortholog in the fission yeast S. pombe. In early mitosis, flp1pwt leaves the nucleolus and localizes to the kinetochores, the contractile ring and the mitotic spindle, suggesting that it has multiple substrates and regulates many mitotic processes. flp1D cells show a high chromosome loss rate and septation defects, suggesting a role for flp1wt in the fidelity of chromosome transmission and cytokinesis. The aim of this study is to characterize the mechanisms underlying flp1pwt functions and the control of its activity. A structure-function analysis has revealed that the presence of both A and B domains is required for biological function and for proper flp1pwt mitotic localization. In contrast, the C domain of flp1pwt is responsible for its proper nucleolar localization in G2/interphase. My data suggest that dephosphorylation of substrates by flp1pwt is not necessary for any changes in localization of flp1pwt except that at the medial ring. In that particular case, the catalytic activity of flp1pwt is required for efficient localization, therefore revealing an additional level of regulation. All the functions of flp1pwt assayed to date require its catalytic activity, emphasizing the importance of further identification of its substrates. As described for other orthologs, the capability of selfinteraction and phosphorylation status might help to control flp1pwt activity. My data suggest that flp1pwt forms oligomers in vivo and that phosphorylation is not essential far localization changes of the protein. In addition, the hypophosphorylated form of flp1pwt might be specifically involved in the promotion of cytokinesis. The results of this study suggest that multiple modes of regulation including localization, selfassociation and phosphorylation allow a fine-tuning regulation of flp1pwt phosphatase activity, and more generally that of Cdc14pwt family of phosphatases. RESUME Chez la levure S. cerevisiae, la protéine phosphatase Cdc14pwt est essentielle pour la sortie de mitose du fait de sa contribution dans la réduction d'activité des CDK mitotiques. Comme elle contrôle également le partage de l'ADN, la stabilité des microtubules et la cytokinèse, Cdc14pwt est en fait considérée comme un coordinateur temporel général des évènements de milieu et de fin de mitose. Les orthologues de Cdc14pwt sont bien conservés, des levures jusqu'à l'espèce humaine. Des comparaisons de séquence ont révélé la présence de trois domaines A, B et C, les deux premiers constituant le domaine catalytique. Ils sont régulés (en partie) via des changements dans leur localisation, eux-mêmes dépendants du cycle cellulaire. Plusieurs de ces orthologues sont supposés inactivés par séquestration dans le nucléole en interphase, ce qui est le cas de flp1pwt le seul orthologue de Cdc14pwt identifié chez la levure fissipare S, pombe. En début de mitose, flp1pwt quitte le nucléole et localise au niveau des kinetochores, de l'anneau contractile d'actine et du fuseau mitotique, ce qui laisse supposer de multiples substrats et fonctions. Comme les cellules délétées pour le gène flp1wt présentent un taux élevé de perte de chromosome et des défauts de septation, flp1pwt semble jouer un rôle dans la fidélité de la transmission du matériel génétique et la cytokinèse. Le but de cette étude est de caractériser les mécanismes impliqués dans les fonctions assurées par flp1pwt d'une part, et dans le contrôle de son activité d'autre part. Une analyse structure-fonction a révélé que la présence simultanée des deux domaines A et B est requise pour la fonction biologique de flp1pwt et sa localisation correcte pendant la mitose. Par contre, le domaine C de flp1pwt confère une localisation nucléolaire adéquate en G2/interphase. Mes données suggèrent que la déphosphorylation de substrats par flp1pwt est dispensable pour sa localisation correcte excepté celle à l'anneau médian, qui requiert dans ce cas, l'activité catalytique de flp1pwt, révélant ainsi un niveau de régulation supplémentaire. Toutes les fonctions de flp1 pwt testées jusqu'à présent nécessitent également son activité catalytique, ce qui accentue l'importance de l'identification future de ses substrats. Comme cela a déjà été décrit pour d'autres orthologues, la capacité d'auto-intéraction et le niveau de phosphorylation pourraient contrôler l'activité de flp1pwt. En effet, mes données suggèrent que flp1pwt forme des oligomères in vivo et que la phosphorylation n'est pas essentielle pour les changements de localisation observés pour la protéine. De plus, la forme hypophosphorylée de flp1pwt pourrait être spécifiquement impliquée dans la promotion de la cytokinèse. De multiples modes de régulation incluant la localisation, l'auto-association et la phosphorylation semblent permettre un contrôle fin et subtil de l'activité de la phosphatase flp1pwt, et plus généralement celle des protéines de la famille de Cdc14pwt.

Régulation du canal à sodium épithélial par le sodim extracellulaire et développement d'un microsystème intégré pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes de "Xenopus laevis"

Résumé : La première partie de ce travail de thèse est consacrée au canal à sodium épithélial (ENaC), l'élément clé du transport transépithélial de Na+ dans le néphron distal, le colon et les voies aériennes. Ce canal est impliqué dans certaines formes génétiques d'hypo- et d'hypertension (PHA I, syndrome de Liddle), mais aussi, indirectement, dans la mucoviscidose. La réabsorption transépithéliale de Na+ est principalement régulée par des hormones (aldostérone, vasopressine), mais aussi directement par le Na+, via deux phénomènes distincts, la « feedback inhibition » et la « self-inhibition » (SI). Ce second phénomène est dépendant de la concentration de Na+ extracellulaire, et montre une cinétique rapide (constante de temps d'environ 3 s). Son rôle physiologique serait d'assurer l'homogénéité de la réabsorption de Na+ et d'empêcher que celle-ci soit excessive lorsque les concentrations de Na+ sont élevées. Différents éléments appuient l'hypothèse de la présence d'un site de détection de la concentration du Na+ extracellulaire sur ENaC, gouvernant la SI. L'objectif de ce premier projet est de démontrer l'existence du site de détection impliqué dans la SI et de déterminer ses propriétés physiologiques et sa localisation. Nous avons montré que les caractéristiques de la SI (en termes de sélectivité et affinité ionique) sont différentes des propriétés de conduction du canal. Ainsi, nos résultats confirment l'hypothèse de l'existence d'un site de détection du Na+ (responsable de la transmission de l'information au mécanisme de contrôle de l'ouverture du canal), différent du site de conduction. Par ailleurs, ce site présente une affinité basse et indépendante du voltage pour le Na+ et le Li+ extracellulaires. Le site semble donc être localisé dans le domaine extracellulaire, plutôt que transmembranaire, de la protéine. L'étape suivante consiste alors à localiser précisément le site sur le canal. Des études précédentes, ainsi que des résultats préliminaires récemment obtenus, mettent en avant le rôle dans la self-inhibition du premiers tiers des boucles extracellulaires des sous-unités α et γ du canal. Le second projet tire son origine des limitations de la méthode classique pour l'étude des canaux ioniques, après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis, par la méthode du voltage-clamp à deux électrodes, en particulier les limitations dues à la lenteur des échanges de solutions. En outre, cette méthode souffre de nombreux désavantages (manipulations délicates et peu rapides, grands volumes de solution requis). Plusieurs systèmes améliorés ont été élaborés, mais aucun ne corrige tous les désavantages de la méthode classique Ainsi, l'objectif ici est le développement d'un système, pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes, présentant les caractéristiques suivantes : manipulation des cellules facilitée et réduite, volumes de solution de perfusion faibles et vitesse rapide d'échange de la perfusion. Un microsystème intégré sur une puce a été élaboré. Ces capacités de mesure ont été testées en utilisant des ovocytes exprimant ENaC. Des résultats similaires (courbes IV, courbes dose-réponse au benzamil) à ceux obtenus avec le système traditionnel ont été enregistrés avec le microsystème. Le temps d'échange de solution a été estimé à ~20 ms et des temps effectifs de changement ont été déterminés comme étant 8 fois plus court avec le nouveau système comparé au classique. Finalement, la SI a été étudiée et il apparaît que sa cinétique est 3 fois plus rapide que ce qui a été estimé précédemment avec le système traditionnel et son amplitude de 10 à 20 % plus importante. Le nouveau microsystème intégré apparaît donc comme adapté à la mesure électrophysiologique sur ovocytes de Xenopus, et possèdent des caractéristiques appropriées à l'étude de phénomènes à cinétique rapide, mais aussi à des applications de type « high throughput screening ». Summary : The first part of the thesis is related to the Epithelial Sodium Channel (ENaC), which is a key component of the transepithelial Na+ transport in the distal nephron, colon and airways. This channel is involved in hypo- and hypertensive syndrome (PHA I, Liddle syndrome), but also indirectly in cystic fibrosis. The transepithelial reabsorption of Na+ is mainly regulated by hormones (aldosterone, vasopressin), but also directly by Na+ itself, via two distinct phenomena, feedback inhibition and self-inhibition. This latter phenomenon is dependant on the extracellular Na+ concentration and has rapid kinetics (time constant of about 3 s). Its physiological role would be to prevent excessive Na+ reabsorption and ensure this reabsorption is homogenous. Several pieces of evidence enable to propose the hypothesis of an extracellular Na+ sensing site on ENaC, governing self-inhibition. The aim of this first project is to demonstrate the existence of the sensing site involved in self-inhibition and to determine its physiological properties and localization. We show self-inhibition characteristics (ionic selectivity and affinity) are different from the conducting properties of the channel. Our results support thus the hypothesis that the Na+ sensing site (responsible of the transmission of the information about the extracellular Na+ concentration to the channel gating mechanism), is different from the channel conduction site. Furthermore, the site has a low and voltage-insensitive affinity for extracellular Na+ or Li+. This site appears to be located in the extracellular domain rather than in the transmembrane part of the channel protein. The next step is then to precisely localize the site on the channel. Some previous studies and preliminary results we recently obtained highlight the role of the first third of the extracellular loop of the α and γ subunits of the channel in self-inhibition. The second project originates in the limitation of the classical two-electrode voltageclamp system classically used to study ion channels expressed in Xenopus /aevis oocytes, in particular limitations related to the slow solution exchange time. In addition, this technique undergoes several drawbacks (delicate manipulations, time consumption volumes). Several improved systems have been built up, but none corrected all these detriments. The aim of this second study is thus to develop a system for electrophysiological study on oocytes featuring an easy and reduced cell handling, small necessary perfusion volumes and fast fluidic exchange. This last feature establishes the link with the first project, as it should enable to improve the kinetics analysis of self-inhibition. A PDMS chip-based microsystem has been elaborated. Its electrophysiological measurement abilities have been tested using oocytes expressing ENaC. Similar measurements (IV curves of benzamil-sensitive currents, benzamil dose-response curves) have been obtained with this system, compared to the traditional one. The solution exchange time has been estimated at N20 ms and effective exchange times (on inward currents) have been determined as 8 times faster with the novel system compared to the classical one. Finally, self-inhibition has been studied and it appears its kinetics is 3 times faster and its amplitude 10 to 20 % higher than what has been previously estimated with the traditional system. The novel integrated microsystem appears therefore to be convenient for electrophysiological measurement on Xenopus oocytes, and displays features suitable for the study of fast kinetics phenomenon, but also high throughput screening applications. Résumé destiné large public : Le corps humain est composé d'organes, eux-mêmes constitués d'un très grand nombre de cellules. Chaque cellule possède une paroi appelée membrane cellulaire qui sépare l'intérieur de cette cellule (milieu intracellulaire) du liquide (milieu extracellulaire) dans lequel elle baigne. Le maintien de la composition stable de ce milieu extracellulaire est essentiel pour la survie des cellules et donc de l'organisme. Le sodium est un des composants majeurs du milieu extracellulaire, sa quantité dans celui-ci doit être particulièrement contrôlée. Le sodium joue en effet un rôle important : il conditionne le volume de ce liquide extracellulaire, donc, par la même, du sang. Ainsi, une grande quantité de sodium présente dans ce milieu va de paire avec une augmentation du volume sanguin, ce qui conduit l'organisme à souffrir d'hypertension. On se rend donc compte qu'il est très important de contrôler la quantité de sodium présente dans les différents liquides de l'organisme. Les apports de sodium dans l'organisme se font par l'alimentation, mais la quantité de sodium présente dans le liquide extracellulaire est contrôlée de manière très précise par le rein. Au niveau de cet organe, on appelle urine primaire le liquide résultant de la filtration du sang. Elle contient de nombreuses substances, des petites molécules, dont l'organisme a besoin (sodium, glucose...), qui sont ensuite récupérées dans l'organe. A la sortie du rein, l'urine finale ne contient plus que l'excédent de ces substances, ainsi que des déchets à éliminer. La récupération du sodium est plus ou moins importante, en fonction des ajustements à apporter à la quantité présente dans le liquide extracellulaire. Elle a lieu grâce à la présence de protéines, dans les membranes des cellules du rein, capables de le transporter et de le faire transiter de l'urine primaire vers le liquide extracellulaire, qui assurera ensuite sa distribution dans l'ensemble de l'organisme. Parmi ces protéines « transporteurs de sodium », nous nous intéressons à une protéine en particulier, appelée ENaC. Il a été montré qu'elle jouait un rôle important dans cette récupération de sodium, elle est en effet impliquée dans des maladies génétiques conduisant à l'hypo- ou à l'hypertension. De précédents travaux ont montré que lorsque le sodium est présent en faible quantité dans l'urine primaire, cette protéine permet d'en récupérer une très grande partie. A l'inverse, lorsque cette quantité de sodium dans l'urine primaire est importante, sa récupération par le biais d'ENaC est réduite. On parle alors d'autorégulation : la protéine elle-même est capable d'adapter son activité de transport en fonction des conditions. Ce phénomène d'autorégulation constitue a priori un mécanisme préventif visant à éviter une trop grande récupération de sodium, limitant ainsi les risques d'hypertension. La première partie de ce travail de thèse a ainsi consisté à clarifier le mécanisme d'autorégulation de la protéine ENaC. Ce phénomène se caractérise en particulier par sa grande vitesse, ce qui le rend difficile à étudier par les méthodes traditionnelles. Nous avons donc, dans une deuxième partie, développé un nouveau système permettant de mieux décrire et analyser cette « autorégulation » d'ENaC. Ce second projet a été mené en collaboration avec l'équipe de Martin Gijs de l'EPFL.

The biology of cancer stem cells : part 1: nuclear translocation of CD44 : part 2: IMP2 in glioblastoma cancer stem cells

SummaryCancer stem cells (CSC) are poorly differentiated, slowly proliferating cells, with high tumorigenic potential. Some of these cells, as it has been shown in leukemia, evade chemo- and radiotherapy and recapitulate the tumor composed of CSC and their highly proliferative progeny. Therefore, understanding the molecular biology of those cells is crucial for improvement of currently used anti-cancer therapies.This work is composed of two CSC-related projects. The first deals with CD44, a frequently used marker of CSC; the second involves Imp2 and its role in CSC bioenergetics. PART 1. CD44 is a multifunctional transmembrane protein involved in migration, homing, adhesion, proliferation and survival. It is overexpressed in many cancers and its levels are correlated with poor prognosis. CD44 is also highly expressed by CSC and in many malignancies it is used for CSC isolation.In the present work full-lenght CD44 nuclear localization was studied, including the mechanism of nuclear translocation and its functional role in the nucleus. Full-length CD44 can be found in nuclei of various cell types, regardless of their tumorigenic potential. For nuclear localization, CD44 needs to be first inserted into the cell membrane, from which it is transported via the endocytic pathway. Upon binding to transportinl it is translocated to the nucleus. The nuclear localization signal recognized by transportinl has been determined as the first 20 amino acids of the membrane proximal intracellular domain. Nuclear export of CD44 is facilitated by exportin Crml. Investigation of the function of nuclear CD44 revealed its implication in de novo RNA synthesis.PART 2. Glioblastoma multiforme is the most aggressive and most frequent brain malignancy. It was one of the first solid tumors from which CSC have been isolated. Based on the similarity between GBM CSC and normal stem cells expression of an oncofetal mRNA binding protein Imp2 has been investigated.Imp2 is absent in normal brain as well as in low grade gliomas, but is expressed in over 75% GBM cases and its expression is higher in CSC compared to their more differentiated counterparts. Analysis of mRNA transcripts bound by Imp2 and its protein interactors revealed that in GBM CSC Imp2 may be implicated in mitochondrial metabolism. Indeed, shRNA mediated silencing of protein expression led to decreased mitochondrial activity, decreased oxygen consumption and decreased activity of respiratory chain protein complex I. Moreover, lack of Imp2 severely affected self-renewal and tumorigenicity of GBM CSC. Experimental evidence suggest that GBM CSC depend on mitochondrial oxidative phosphorylation as an energy producing pathway and that Imp2 is a novel regulator of this pathway.RésuméLes cellules cancéreuses souches sont des cellules peu différentiées, à proliferation lente et hautement tumorigénique. Ces cellules sont radio-chimio résistantes et sont capable reformer la tumeur dans sont intégralité, reproduisant l'hétérogénéité cellulaire présent dans la tumeur d'origine. Pour améliorer les therapies antitumorales actuelles il est crucial de comprendre les mécanismes moléculaires qui caractérisent cette sous-population de cellules hautement malignes.Ce travail de thèse se compose de deux projets s'articulant autour du même axe :Le CD44 est une protéine multifonctionnelle et transmembranaire très souvent utilisée comme marqueur de cellules souches tumorales dans différents cancers. Elle est impliquée dans la migration, l'adhésion, la prolifération et la survie des cellules. Lors de ce travail de recherche, nous nous sommes intéressés à la localisation cellulaire du CD44, ainsi qu'aux mécanismes permettant sa translocation nucléaire. En effet, bien que principalement décrit comme un récepteur de surface transmembranaire, le CD44 sous sa forme entière, non clivée en peptides, peut également être observé à l'intérieur du noyau de diverses cellules, quel que soit leur potentiel tumorigénique. Pour passer ainsi d'un compartiment cellulaire à un autre, le CD44 doit d'abord être inséré dans la membrane plasmique, d'où il est transporté par endocytose jusqu'à l'intérieur du cytoplasme. La transportai permet ensuite la translocation nucléaire du CD44 via une « séquence signal » contenue dans les 20 acides aminés du domaine cytoplasmique qui bordent la membrane. A l'inverse, le CD44 est exporté du noyau grâce à l'exportin Crml. En plus des mécanismes décrits ci-dessus, cette étude a également mis en évidence l'implication du CD44 dans la synthèse des ARN, d'où sa présence dans le noyau.Le glioblastome est la plus maligne et la plus fréquente des tumeurs cérébrales. Dans ce second projet de recherche, le rôle de IMP2 dans les cellules souches tumorales de glioblastomes a été étudié. La présence de cette protéine oncofoetale a d'abord été mise en évidence dans 75% des cas les plus agressifs des gliomes (grade IV, appelés glioblastomes), tandis qu'elle n'est pas exprimée dans les grades I à III de ces tumeurs, ni dans le cerveau sain. De plus, IMP2 est apparue comme étant davantage exprimée dans les cellules souches tumorales que dans les cellules déjà différenciées. La baisse de l'expression de IMP2 au moyen de shRNA a résulté en une diminution de l'activité mitochondriale, en une réduction de la consommation d'oxygène ainsi qu'en une baisse de l'activité du complexe respiratoire I.L'inhibition de IMP2 a également affecté la capacité de renouvellement de la population des cellules souches tumorales ainsi que leur aptitude à former des tumeurs.Lors de ce travail de thèse, une nouvelle fonction d'un marqueur de cellules souches tumorales a été mise en évidence, ainsi qu'un lien important entre la bioénergétique de ces cellules et l'expression d'une protéine oncofoetale.

Nuclear receptor PPARS function in stem cell differentiation and bone physiology

In adult, bone remodeling is a permanent process, reaching an annual turnover of about 10% of the skeleton. Bone remodeling requires the sequential and coordinated actions of the hematopoietic origin osteoclasts, to remove bone and the mesenchymal origin osteoblasts to replace it. An increased level of bone resorption is the primary cause of age-related bone loss often resulting in osteopenia, and is the major cause of osteoporosis.¦Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs), which are expressed in three isotypes, PPARa, PPARp and PPARy, are ligand-activated transcription factors that control many cellular and metabolic processes, more particularly linked to lipid metabolism. In bone, previous works has shown that PPARy inhibits osteogenesis by favoring adipogenesis from common mesenchymal progenitors. In addition, the pro-osteoclastogenesis activity of PPARy results in an increased bone resorption. Accordingly, treatment with PPARy agonist such as the anti-diabetic drug TZD causes bone loss and accumulation of marrow adiposity in mice as well as in postmenopausal women. The aim of the present thesis work was to elucidate the PPARs functions in bone physiology.¦The initial characterization of the PPARP" bone phenotype mainly revealed a decreased BMD. In vitro studies exploring the potency of mesenchymal stem cells to differentiate in osteoblast showed no differences depending on the genotype. However, we could demonstrate an effect of PPARp in partially inhibiting osteoclastogenesis. These results are further sustained by a study made in collaboration with the group of Dr Kronke, which showed an impressive protection against ovariectomy-generated bone loss when the females are treated with a PPARp agonist.¦Observations in PPARy null mice are more complex. The lab has recently been able to generate mice carrying a total deletion of PPARy. Intriguingly, the exploration of the bone phenotype of these mice revealed paradoxical findings. Whereas short bones such as vertebrae exhibit an elevated BMD as expected, long bones (tibia and femur) are clearly osteoporotic. According to their activity when set in culture, osteoblast differentiation normally occurs. Indeed the phenotype can be mainly attributed to a high density of osteoclasts in the cortical bone of PPARy null mice, associated to large bone resorption areas.¦Our explorations suggest a mechanism that involves regulatory processes linking osteoclastogenesis to adipogenesis, the latter being totally absent in PPARy null mice. Indeed, the lack of adipose tissue creates a favorable niche for osteoclastogenesis since conditioned medium made from differentiated adipocyte 3T3L1 inhibited osteoclastogenesis from both PPARy-/- and WT cells. Thus, adipokines deficiency in PPARy-/- mice contributes to de- repress osteoclastogenesis. Using specific blocking antibody, we further identified adiponectin as the major player among dozens of adipokines. Using flow cytometry assay, we explored the levels at which the osteoclastic commitment was perturbed in the bone marrow of PPARy-/- mice. Intriguingly, we observe a general decrease for hematopoietic stem cell and lineage progenitors but increased proportion of osteoclast progenitor in PPARy-/- bone marrow. The general decrease of HSC in the bone marrow is however largely compensated by an important extra-medullary hematopoeisis, taking place in the liver and in the spleen.¦These specific characteristics emphasize the key role of PPARy on a cross road of osteogenesis, adipogenesis and hematopoiesis/osteoclastogenesis. They underline the complexity of the bone marrow niche, and demonstrate the inter-dependance of different cell types in defining bone homeostasis, that may be overseen when experimental design single out pure cell populations.¦Chez l'adulte, même après la fin de la croissance, le renouvellement des os se poursuit et porte sur environ 10% de l'ensemble du squelette adulte, par année. Ce renouvellement implique à la fois des mécanismes séquentiels et coordonnés des ostéoclastes d'origine hématopoïetique, qui dégradent l'os, et des ostéoblastes d'origine mésenchymale, qui permettent la régénération de l'os. La perte en densité osseuse due à l'âge entraîne un fort niveau de résorption, conduisant souvent à une ostéopénie, elle-même cause de l'ostéoporose.¦Les trois isotypes PPAR (Peroxisome proliferator-activated receptor, PPARa, PPARp, et PPARy) sont des récepteurs nucléaires qui contrôlent de nombreux mécanismes cellulaires et métaboliques, plus particulièrement liés au métabolisme lipidique. Au niveau osseux, des travaux précédents ont montré que PPARy inhibe l'ostéoblastogenèse en favorisant la formation d'adipocytes à partir de la cellule progénitrice commune. De plus, l'activité pro- ostéoclastogénique de PPARy induit une résorption osseuse accrue. Condormément à ces observations, les patients diabétiques traités par les thiazolidinediones qui agissent sur PPARy, ont un risque accrue d'ostéoporose liée à une perte osseuse accrue et un accroissement de l'adiposité au niveau de la moelle osseuse. Dans ce contexte, l'objectif de mon travail de thèse a été d'élucider le rôle des PPAR dans la physiologie osseuse, en s'appuyant sur le phénotype des souris porteuses de mutation pour PPAR.¦La caractérisation initiale des os des souris porteuses d'une délétion de ΡΡΑΕφ a principalement révélé une diminution de la densité minérale osseuse (DMO). Alors que l'ostéogenèse n'est pas significativement altérée chez ces souris, l'ostéoclastogenèse est elle augmentée, suggérant un rôle modérateur de ce processus par ΡΡΑΕΙβ. Ces résultats sont par ailleurs soutenus par une étude menée par le groupe du Dr Krônke en collaboration avec notre groupe, et qui monte une protection très importante des souris traitées par un activateur de PPARP contre l'ostéoporose provoquée par l'ovariectomie.¦Les observations concernant PPARy donnent des résultats plus complexes. Le laboratoire a en effet été capable récemment de générer des souris portant une délétion totale de PPARy. Alors que les os courts chez ces souris présentent une augmentation de la DMO, comme attendu, les os longs sont clairement ostéoporotiques. Ce phénotype corrèle avec une densité élevée d'ostéoclastes dans l'os cortical de ces os longs. Deux processus semblent contribuer à ce phénotype. En premier lieu, nous démontrons qu'un milieu conditionné provenant de cultures de cellules 3T3-L1 différenciées en adipocytes contiennent une forte activité inhibitrice d'osteoclastogenesis. L'utilisation d'anticorps neutralisant permet d'identifier l'adiponectine comme l'un des facteurs principaux de cette inhibition. Les souris PPARy étant totalement dépourvues d'adipocytes et donc de tissu adipeux, la sécrétion locale d'adiponectine dans la moelle osseuse est donc également absente, entraînant une désinhibition de l'ostéoclastogenèse. En second lieu, des analyses par FACS révèle une proportion accrue des cellules progénitrices d'ostéoclastes dans la moelle osseuse. Cela s'accompagne par une diminution globale des cellules souches hématopoïétiques, qui est cependant largement compensée par une importante hématopoëise extra-médullaire, dans le foie comme dans la rate.¦L'ensemble de notre travail montre toute l'importance de PPARy au carrefour de l'ostéogenèse, adipogenèse, et hématopoëise/osteoclastogenèse. Il souligne la complexité de la niche que représente la moelle osseuse et démontre l'inter-dépendance des différents types cellulaires définissant l'homéostasie osseuse, complexité qui peut facilement être masqué lorsque le travail expérimental se concentre sur le comportement d'un type cellulaire donné.

Elemental and isotopic zoning in natural alpine quartz

THESIS ABSTRACT : Stable isotope geochemistry is used to help resolve a large number of geological questions. In order to do this, it is essential to understand the different mechanisms that govern isotopic fractionation processes between different phases and to identify the conditions required to reach equilibrium fractionation. However, at low temperatures, these processes are poorly constrained and many factors can induce differential partitioning of the isotopes between sectors of a mineral species and the fluid during mineral growth. This can result in so-called 'sector zoning' of a mineral species. The aim of this thesis is to evaluate the occurrence of sector zoning of the oxygen isotopes and trace elements in natural α-quartz crystals and to identify the reasons for such zoning. The implications for the fluid-mineral interactions are studied in the context of the Alpine metamorphism. The approach chosen has focused on examining the crystal structure, cathodoluminescence appearance (CL), and on relating elemental (e.g. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) to stable oxygen isotope compositions between and along different growth sectors. Low temperature quartz samples were selected from Alpine veins in different localities, where growth conditions have already been well constrained. The mineralogy as well as the isotopic compositions of the host rocks were also investigated, in order to interpret the variations obtained between the different growth stages in the framework of fluid-rock interaction during Alpine metamorphism. Depending on the growth conditions, most of the studied quartz is strongly zoned in CL, and it reveals corresponding zonations in the trace element content (e.g. growth zoning). Aluminium, substituting for Si in the lattice, was found in concentrations up to 1000's ppma, and its distribution is strongly related to Li and H and to a lesser extent, to Ge. Elemental sector zoning is evident from the distribution of these three elements since they exhibit differences in their respective concentrations between faces for distinct growth zones, with prismatic faces having the lowest Al contents. Quartz from veins in magmatic rocks, for example, tend to have lower Al concentrations and similar concentrations of Li and Ti suggesting also a contribution of these elements from the host rock. The relationship between Al and Li is still correlated. Only Alpine crystals grown at higher temperatures (~400°C) without any CL zoning feature are free of these impurities and do not show such zoning characteristics. Differences in the δ18O values were measured between different faces principally in the AIenriched growth zones or stages. These results were confirmed by the means of two different methods (in situ/non in situ). However, it was determined that the Al concentrations do not affect significantly oxygen isotope fractionations at 300°C. The results altogether suggest that the presence of sector zoning in quartz crystals is real, but not universal, and henceforth should be taken into consideration for any use of these systems. The occurrence of disequilibrium partitioning has been enhanced and is possibly related to kinetic processes as well as structural effects that do not affect similarly trace element incorporation and isotopic fractionation. In situ measurements also revealed fine scale δ18O zonations along growth paths that are useful to constrain fluid-rock interactions during Alpine metamorphism. Variations in the δ18O values present along growth vectors indicate changes in the fluid composition and origin. Association with oxygen isotope composition of the host rock allows for the deduction of interactions between rocks, veins and consequently fluids, as well as fluid regimes. RESUME DE LA THESE : A basses températures, (i.e. <400°C) les différents mécanismes qui régissent le fractionnement isotopique ainsi que les conditions nécessaires pour établir un état d'équilibre sont peu connus et nombre de paramètres peuvent entraîner un partitionnement chimique différentiel entre différents secteurs d'un minéral et le fluide en contact. Ainsi, ce travail de thèse a pour but d'évaluer la possible présence de zonages sectoriels en isotopes de l'oxygène mais aussi en éléments traces dans des cristaux naturels de quartz-α de basses températures, ainsi que les raisons d'un tel phénomène et enfin ses implications sur les interactions fluide-roche, principalement dans le cadre du métamorphisme Alpin. La structure et l'apparence en cathodoluminescence (CL) des échantillons ont été caractérisées avant de retracer en détail les compositions en élément traces (Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) et en isotopes de l'oxygène, le long et entre différents secteurs. Les échantillons de quartz sélectionnés proviennent majoritairement de veines Alpine de différentes localités, où les conditions de croissance ont été déjà bien caractérisées. Les compositions minéralogiques et isotopiques de la roche encaissante ont aussi été examinées, pour contraindre les variations obtenues dans un contexte Alpin. Selon leurs conditions de croissance, la plupart des cristaux étudiés sont fortement zonés, ce qui est souligné par un zonage des concentrations en éléments traces (e.g. zonage de croissance). L'Aluminium, qui peut se substituer à la Silice dans le réseau cristallin, a été retrouvé jusqu'en très grandes concentrations dans certaines zones (plusieurs milliers de ppma). De plus, la distribution en Al est fortement liée à celles de Li et H, ainsi que dans une moindre mesure à Ge. La présence de zonage sectoriel est évidente au niveau de ces éléments qui montrent de larges différences de concentrations entre différentes faces pour une même zone de croissance, avec les concentrations les plus basses retrouvées dans les faces prismatiques. Les quartz de veines situées dans des roches magmatiques par exemple possèdent des concentrations en Li et Ti de même ordre de grandeur, confirmant le rôle de la composition de la roche encaissante. La relation Li/Al est toujours fortement présente, mais ce rapport est fonction de la face mesurée. Seuls les cristaux Alpins de plus hautes températures (400°C) ne possédant pas de zones en CL ne présentent aucune de ces caractéristiques. Des différences dans les valeurs de δ18O de zones identiques enrichies en Al ont clairement été mesurées entre les différentes faces r, z, et m, mais aussi au sein d'une même seule zone, indiquant que le fractionnement a probablement eu lieu en déséquilibre. Il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs n'avait qu'un faible effet sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. L'utilisation de deux méthodes différentes a permis d'obtenir des résultats in situ et non in situ concordants. La comparaison des résultats obtenus permet de démontrer que le zonage sectoriel est bien présent dans certains cristaux de quartz, et dépend des conditions de formation. La présence d'un partitionnement différentiel des éléments traces peut être due à des effets cinétiques aussi bien que structuraux, alors que le zonage sectoriel des isotopes de l'oxygène aurait d'autres origines. Il est alors évident que la possibilité de zonage sectoriel doit être désormais pris en considération avant toute interprétations de données isotopiques de cristaux zonés. Les mesures in situ ont de plus permis de distinguer de fines variations des valeurs δ18O au cours de la croissance, qui peuvent aider à retracer la circulations des fluides dans les Alpes durant cette période. En association avec les compositions des roches encaissantes, ii est possible de déduire les interactions entre roches, veines, et par conséquent fluides, au cours de différentes étapes. RESUME GRAND PUBLIC : La géochimie des isotopes stables a pris beaucoup d'importance depuis ces dernières années pour aider à résoudre nombre de questions géologiques, en se basant sur les caractéristiques du fractionnement isotopiques pour différents systèmes. Il est donc nécessaire d'avoir une connaissance approfondie des mécanismes qui s'appliquent au fractionnement isotopique entre les minéraux et les fluides à partir desquels ils se forment. Ces mécanismes ont été bien approchés par différents types de calibrations pour des systèmes à hautes températures, cependant cela n'est pas aussi évident pour les systèmes à des températures inférieures à 400-500°C. Ce travail de thèse a pour but d'aider à la description et la compréhension des phénomènes qui peuvent affecter le fractionnement isotopique à basses températures, ainsi que leurs implications, à partir de l'étude de cristaux de quartz. Le choix des échantillons s'est porté sur des cristaux naturels formés à des températures inférieures ou égales à 400°C, provenant majoritairement de fissures hydrothermales Alpines dont les conditions de formation ont déjà été déterminées. L'étude des cristaux Alpin permet de plus de replacer les résultats obtenus dans le contexte du métamorphisme Alpin au cours du Miocène (21-13 Ma). Après examen de la structure et de la morphologie des cristaux, et leur caractérisation par cathodoluminescence (CL), des analyses chimiques détaillées sur les éléments en traces pouvant entrer dans le réseau cristallin du quartz comme impuretés (i.e. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti), et des isotopes stables de l'oxygène, ont été menées. En fonction des conditions de croissance, la plupart des cristaux présentent des zonations, qui peuvent être facilement reliées à la distribution des éléments traces analysés par microsonde électronique, sonde ionique (SIMS) et LA-ICPMS. De fortes concentrations d'Aluminium (plusieurs milliers de parties par million atomique) ont pu être observées dans les zones les plus externes des cristaux. De plus, les concentrations en Al et en Li sont toujours corrélées; la présence d'Hydrogène déduite à partir d'analyses par FTIR suit cette même tendance. Les différentes faces des cristaux présentent des concentrations distinctes d'Al, Li et H pour des mêmes zones de croissance, avec par exemple les concentrations les plus faibles dans les zones des faces prismatiques. Cela implique la présence d'un zonage sectoriel, qui a déjà été observé principalement dans des carbonates mais jamais décrit auparavant pour des quartz. Seuls les cristaux alpins homogènes en CL dont la croissance s'est faite à plus haute température (400°C) ne présentent aucune de ces caractéristiques. Par analogie avec le zonage sectoriel en Al, élément qui se substitue au Si dans le réseau cristallin du quartz, il est possible de penser qu'un zonage sectoriel pourrait aussi s'appliquer aux isotopes de l'oxygène. Des précédentes études avaient en effet émis cette hypothèse. Nos résultats ont été obtenus à partir d'analyses à la fois in- situ par SIMS, et par extraction assistée par laser-CO2 sur des parties de quartz soigneusement séparées, et sont en accord entre les deux méthodes. Un zonage sectoriel est en effet bien présent pour les cristaux alpins, mais principalement au niveau des zones très riches en Aluminium. Cependant, il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs avait un effet plus que minimal sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. Des différences importantes ont été observées entre les faces r & z mais aussi au sein d'une même et seule zone, indiquant que le fractionnement a pu avoir lieu en déséquilibre, ce qui est aussi visible au niveau des valeurs totalement opposées entre faces pour la dernière phase de croissance de certains cristaux. Ainsi l'association de ces résultats laisse suggérer que la présence d'un zonage sectoriel peut être liée à différents paramètres tels que le taux de croissance ou la structure de surface du cristal, mais qui n'affectent pas de la même façon l'incorporation des éléments traces et le fractionnement isotopique. La possibilité d'un zonage sectoriel est importante à prendre en compte lors de toute interprétation de données isotopiques. Les analyses des isotopes de l'oxygène effectuées par SIMS ont aussi permis de distinguer des variations importantes à petite échelle au cours de la croissance. Des mesures faites par laser CO2 sur certaines roches encaissantes, ont permis distinguer plusieurs étapes dans la croissance des minéraux et de déduire le rôle de l'encaissant et le type de fluide. En association avec de précédentes études, il a été ainsi possible de mieux contraindre la formation de ces cristaux dans le contexte alpin et la circulation de fluide au cours du métamorphisme alpin durant le Miocène.

The structure of nervous tissue and of Gram-positive bacteria studied by cryo-electron microscopy of vitreous sections

Résumé La structure, ou l'architecture, des êtres vivants définit le cadre dans lequel la physique de la vie s'accomplit. La connaissance de cette structure dans ses moindres détails est un but essentiel de la biologie. Son étude est toutefois entravée par des limitations techniques. Malgré son potentiel théorique, la microscopie électronique n'atteint pas une résolution atomique lorsqu'elle est appliquée ä la matièxe biologique. Cela est dû en grande partie au fait qu'elle contient beaucoup d'eau qui ne résiste pas au vide du microscope. Elle doit donc être déshydratée avant d'être introduite dans un microscope conventionnel. Des artéfacts d'agrégation en découlent inévitablement. La cryo-microscopie électronique des sections vitreuses (CEMOVIS) a ëté développée afin de résoudre cela. Les spécimens sont vitrifiés, c.-à-d. que leur eau est immobilisée sans cristalliser par le froid. Ils sont ensuite coupés en sections ultrafines et celles-ci sont observées à basse température. Les spécimens sont donc observés sous forme hydratée et non fixée; ils sont proches de leur état natif. Durant longtemps, CEMOVIS était très difficile à exécuter mais ce n'est plus le cas. Durant cette thèse, CEMOVIS a été appliqué à différents spécimens. La synapse du système nerveux central a été étudiée. La présence dans la fente synaptique d'une forte densité de molécules organisées de manière périodique a été démontrée. Des particules luminales ont été trouvées dans Ies microtubules cérébraux. Les microtubules ont servi d'objets-test et ont permis de démontrer que des détails moléculaires de l'ordre du nm sont préservés. La compréhension de la structure de l'enveloppe cellulaire des bactéries Grampositives aété améliorée. Nos observations ont abouti à l'élaboration d'un nouveau modèle hypothétique de la synthèse de la paroi. Nous avons aussi focalisé notre attention sur le nucléoïde bactérien et cela a suscité un modèle de la fonction des différents états structuraux du nucléoïde. En conclusion, cette thèse a démontré que CEMOVIS est une excellente méthode poux étudier la structure d'échantillons biologiques à haute résolution. L'étude de la structure de divers aspects des êtres vivants a évoqué des hypothèses quant à la compréhension de leur fonctionnement. Summary The structure, or the architecture, of living beings defines the framework in which the physics of life takes place. Understanding it in its finest details is an essential goal of biology. Its study is however hampered by technical limitations. Despite its theoretical potential, electron microscopy cannot resolve individual atoms in biological matter. This is in great part due to the fact. that it contains a lot of water that cannot stand the vacuum of the microscope. It must therefore be dehydrated before being introduced in a conventional mìcroscope. Aggregation artefacts unavoidably happen. Cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) has been developed to solve this problem. Specimens are vitrified, i.e. they are rapidly cooled and their water is immobilised without crystallising by the cold. They are then. sectioned in ultrathin slices, which are observed at low temperatures. Specimens are therefore observed in hydrated and unfixed form; they are close to their native state. For a long time, CEMOVIS was extremely tedious but this is not the case anymore. During this thesis, CEMOVIS was applied to different specimens. Synapse of central nervous system was studied. A high density of periodically-organised molecules was shown in the synaptic cleft. Luminal particles were found in brain microtubules. Microtubules, used as test specimen, permitted to demonstrate that molecular details of the order of nm .are preserved. The understanding of the structure of cell envelope of Gram-positive bacteria was improved. Our observations led to the elaboration of a new hypothetic model of cell wall synthesis. We also focused our attention on bacterial nucleoids and this also gave rise to a functional model of nucleoid structural states. In conclusion, this thesis demonstrated that CEMOVIS is an excellent method for studying the structure of bìologìcal specimens at high resolution. The study of the structure of various aspects of living beings evoked hypothesis for their functioning.

Transcriptional control of the Notch1 tumour suppressor gene

Abstract : The Notch pathway is an important regulator of differentiation and carcinogenesis. In keratinocytes and possibly other specific epithelial cell types, it acts as tumour suppressor. Expression of endogenous Notch1 gene is markedly reduced in keratinocyte-derived squamous cell carcinoma (SCC) and cervical cancer cells, as well as in prostate cancer cell lines, and this difference is, at least in part, at the transcriptional level. Little is known on transcriptional control of the Notch1 gene with the exception that it is a p53-target. Our work focused on the mechanisms involved in the different transcription level of the Notch1 gene in normal versus cancer cells. We show that the fully active minimal Notch1 promoter is differentially controlled in normal versus cancer cells. It consists of two distinct regions, one downstream of the transcription start site, which is likely to bind the basic transcription apparatus, and one upstream region characterized by highly GC-rich sequence. This latter region binds Sp/KLF family members, specifically Spa and KLF4, which is upregulated in cancer cells. This is functionally significant as KLF4 overexpression is sufficient to downmodulate Notchl gene transcription, while KLF4 knockdown, in combination with Spa, results in Notch1 upregulation. Control of Notch1 by KLF4/Sp3 is independent of p53. Biochemically, KLF4/Sp3 seem to affect preferentially the initiation step of Notch1 gene transcription, while p53 controls both initiation and elongation steps. Thus, the Notch1 gene is a negative Sp3/KLF4-target and this mechanism contributes, in parallel with p53, to Notch1 downregulation in cancer. Résumé : La voie de signalisation induite par Notch est considérablement impliquée dans la différenciation des cellules et dans la carcinogénèse. Dans les kératinocytes ainsi que dans d'autres types cellulaires de l'épithelium, il agit comme suppresseur de tumeur. L'expression endogène de Notch1 est remarquablement réduite dans les cellules du carcinome spino-cellulaire et du cancer du col de l'utérus ou dans les lignées cellulaires du cancer de la prostate. Cette différence s'explique, du moins en partie, par le niveau de transcription. Peu de choses sont connues sur le contrôle transcriptionnel de Notch1 à l'exception du fait qu'il soit une cible de p53. Notre travail s'est concentré sur les mécanismes impliqués dans la transcription de Notch1, mécanismes qui diffèrent entre les cellules normales et les cellules cancéreuses. Nous avons trouvé la plus petite région du promoteur de Notch1 qui est suffisante pour induire un haut niveau transcriptionnel et qui est contrôlée différemment dans les cellules normales et les cellules cancéreuses. Elle est constituée de deux régions distinctes: une en aval du site de départ de la transcription, qui lie probablement le complexe de base pour la transcription, et une en amont caractérisée par une séquence riche en GC. Cette région lie les membres de la famille Sp/KLF, spécifiquement Sp3 et KLF4, qui sont surexprimés dans les cellules cancéreuses. Ceci est fonctionnellement significatif car la surexpression de KLF4 dans les kératinocytes est suffisante pour diminuer la transcription de Notch1, alors que l'inhibition de KLF4 et de Spa, résulte en une augmentation de Notch1. En outre, le contrôle de Notch1 par KLF4 et Spa est indépendant de p53. Biochimiquement, KLF4 et Spa semblent plutôt affecter l'initiation de la transcription de Notch1 alors que p53 contrôle aussi bien l'initiation que l'élongation. En conclusion, le gène Notch1 est inhibé par Spa et KLF4: ce mécanisme contribue, en parallèle à p53, à diminuer l'expression de Notch1 dans les cellules cancéreuses.

Atorvastatin-loaded hydrogel affects the smooth muscle cells of human veins

L'hyperplasie intimale est la cause majeure de sténoses de pontages veineux. Différents médicaments tels que les statines permettent de prévenir les sténoses mais leur administration systémique n'a que peu d'effet. Nous avons développé une matrice d'hydrogel d'acide hyaluronique qui permet d'avoir un relargage contrôlé d'atorvastatine sur un site désiré. L'enjeu de ce projet de recherche est de démontrer que l'atorvastatine relarguée par l'hydrogel a un effet similaire sur les cellules musculaires lisses de veines saphènes humaines comparé à l'atorvastatine directement diluée dans le milieu de culture. La recherche a été conduite conjointement par le laboratoire de médecine expérimentale du département de chirurgie thoracique et vasculaire du Centre Hospitalier Universitaire Vaudois et de l'Ecole de sciences pharmaceutiques des Universités de Lausanne et de Genève. On a incorporé de l'atorvastatine calcium (Chemos GmbH, Regenstauf Allemagne) dans des gels d'acide hyaluronique (Fortelis extra) à des concentrations déterminées afin de pouvoir analyser le relargage de l'Atovastatine dans le milieu de culture cellulaire par rapport aux concentrations d'atorvastatine directement ajoutées dans le milieu. Des cellules musculaires lisses primaires ont été cultivées à partir d'expiants de veines saphènes humaines. Elles ont été identifiées grâce à l'immunohistochimie par des anticorps contre la desmine et l'alpha-smooth muscle actine. La prolifération et la viabilité de ces cellules ont été analysées à l'aide du test MTT, leur transmigration avec le test de la chambre de Boyden et leur migration avec le principe de cicatrisation de plaies (wound healing assey). L'expression de gènes connus pour participer au développement de l'hyperplasie intimale, tels que la gap junction protein Connexin43 (Cx43), l'inhibiteur du plasminogène PAI-1, Thème oxygénase HO-1, la métalloproteinase-9 et l'inhibiteur de l'activateur du plasminogène tissulaire tPA, a été déterminée par niveau de mRNA exprimé en PCR. Leur expression en protéines a été analysée en utilisant la méthode par Western blots ainsi que l'immunohistochimie. Les expériences ont été effectuées à triple reprise en duplicats en parallèles avec de l'atorvastatine calcium directement ajoutée dans le milieu de culture et avec l'atorvastatine relarguée par l'hydrogel d'acide hyaluronique. Conclusions L'atorvastatine est relarguée par l'hydrogel de façon contrôlée. L'hydrogel contenant l'atorvastatine diminue la viabilité et la transmigration des cellules musculaires lisses de veines saphènes humaines de façon similaire à l'atorvastatine directement introduite dans le milieu de culture. L'hydrogel contenant l'atorvastatine module de façon sélective l'expression de marqueurs de la différentiation cellulaire de cellules musculaires lisses de veines saphènes humaines avec un retard de 24 heures comparé avec les effets de l'atorvastatine directement ajoutée au milieu de culture, sans néanmoins changer la distribution intra-cellulaire des protéines Cx43, HO-1 et PAI-1. Perspectives Il s'agit d'un projet d'importance clinique majeure permettant de réaliser des améliorations du traitement des artériopathies occlusives, ainsi que de relevance pharmacologique permettant de réaliser des dépôts de molécules avec un relargage stable et contrôlé à un site spécifique.

Initiation de l'adhésion leucocytaire : rôle des fucosyltransférases et des ligands des sélectines

RESUME La dissémination extramédullaire des cellules blastiques est une complication majeure des leucémies myéloïdes (LMA) ou lymphoïdes aiguës (LLA). La migration des cellules blastiques dépend de mécanismes semblables à ceux qui régulent la migration des leucocytes dans un site d'inflammation. Parmi ceux-ci, les oligosaccharides fucosylés décorant les ligands des sélectines jouent un rôle clé en interagissant avec les sélectines. PSGL-1 (P-Selectin Glycoprotein Ligand-1) est une protéine de 240 kD, exprimée à la surface des leucocytes, permettant de soutenir le roulement leucocytaire sur les sélectines, le long de la paroi vasculaire. L'interaction de PSGL-1 avec les sélectines nécessite des modifications post-traductionnelles de type sialylation, sulfatation , N et 0-glycosylation. Parmi les enzymes impliqués, les α1,3-fucosyltransférases jouent un rôle important dans la biosynthèse d'oligosaccharides fucosylés, ligands des sélectines (sLex, Lex, VIM-2, CLA). Comme l'expression des α1,3-fucosyltransférases par les cellules blastiques leucémiques n'a pas été étudiée précédemment, nous l'avons recherchée dans 120 cas de leucémies aiguës. Les ARNm des FucT-IV et -VII ont été détectés, par RT-PCR, dans tous les cas testés. L'ARNm de la FucT-IX n'a été observé que dans 40% des leucémies aiguës (48/120). L'ARNm de la FucT-IX est détecté dans 65% des LMA (47/72) et, moins fréquemment, dans 26% des LLA (11/42). A noter que les cas de LLA exprimant la FucT-IX correspondent essentiellement à des LLA secondaires à la transformation d'une leucémie myéloïde chronique ou des LLA de la lignée B de type leucémie/lymphome de Burkitt. L'expression de PSGL-1 et des oligosaccharides fucosylés par les blastes varie significativement parmi les LMA et les LLA : Lex, VIM-2 et sLex étant exprimés plus fréquemment par les myéloblastes que par les lymphoblastes. Le rôle des FucT-IV, -VII et -IX dans la synthèse des Lex, VIM-2, CLA et sLex a été examiné en exprimant l'ADNc de chaque FucT dans des cellules CHO. L'immunophénotypisation des transfectants indique que la FucT-VII synthétise sLex et CLA, mais pas Lex et VIM-2. Lex et VIM-2 sont générés par la FucT-IV. La FucT-IX ne participe qu'à la synthèse de Lex, sa capacité de synthèse de VIM-2 dans les cellules CHO est très faible. Le rôle de la FucT-IX dans la régulation du roulement cellulaire dépendant des sélectines a été testé dans des conditions de flux. Les vitesses de roulement des cellules CHO co-exprimant la FucT-LX, la core-2 01,6-N-acetylglucosaminyltransferase et PSGL-1 sont très élevées sur la P-sélectine (médiane : 497.95 µm/s, n=96) alors qu'elles sont beaucoup plus lentes sur la E-sélectine (médiane 7 µm/s, n=64). Les recrutements sur la E-sélectine des cellules CHO-C2F9PSGL¬1 et des CHO-C2F7PSGL-1 sont similaires (moyenne ± SEM : 127.44 ± 4.38 vs. 151.16 ± 3.16 cellules/min/mm2, n=5). Celui des cellules CHO-C2F4PSGL-1 est par contre plus faible (54.20 ± 2.13 cellules/min/mm2, n=5). Ces résultats indiquent que la FucT-IX est impliquée dans la biosynthèse de Lex, VIM-2 et CLA et qu'elle régule l'interaction des cellules CHO avec la E-sélectine. Contrairement aux FucT-IV et -VII, la FucT-IX ne joue qu'un rôle mineur dans la régulation du roulement cellulaire sur la L- et la P-sélectine. L'expression fréquente de la FucT-IX par les myéloblastes suggère qu'elle pourrait participer avec les FucT-IV et -VII à la régulation de la migration cellulaire dépendant de la E-sélectine. Finalement, ce travail de thèse a été étendu à l'identification des protéines cytoplasmiques qui interagissent avec le domaine cytoplasmique de PSGL-1 et qui pourraient être impliquées dans la transmission de signaux intracellulaires. Les ligands intracellulaires de PSGL-1 seront identifiés par la technique du double hybride qui nous a déjà permis de confirmer que syk et la N-moésine se lient au domaine cytoplasmique de PSGL-1. Des ligands supplémentaires seront identifiés employant une librairie provenant des cellules souches hématopoïétiques comme proie. ABSTRACT Blast cell dissemination is a major complication of acute myeloblastic (AML) and lymphoblastic leukemia (ALL). Blast cell migration is dependent on mechanisms that are similar to those which regulate leukocyte migration into inflammatory lesions. Among them, fticosylated oligosaccharides that decorate selectin ligands play a key role by interacting with selectins. PSGL-1 (P-Selectin Glycoprotein Ligand-1) is a 240 kD glycoprotein constitutively expressed on leucocytes and which supports leukocyte rolling on selectins. PSGL-1 interaction with selectins is dependent on post-translational modifications such as sialylation, sulfation, N- and 0-glycosylation. Among the involved enzymes, the α1,3-fucosyltransferases (FucT) play a major role in generating cell surface glycoconjugates carrying fucosylated oligosaccharides which interact with selectins (sLex, Lex, VIM-2, CLA). Since no information is available on the expression of α1,3-fucosyltransferases by leukemic blast cells, we examined it in 120 cases of acute leukemia. FucT-IV and -VII mRNAs were detected, by RT-PCR, in all tested cases. In contrast, the presence of FucT-IX mRNA was shown in only 40% of patients with acute leukemia (48/120). FucT-IX mRNA was detected in 65% of AML (47/72) and, less frequently, in 26% of ALL (11/42). Importantly, all ALL cases expressing FucT-IX were either secondary leukemia resulting from the transformation of chronic myelocytic leukemia in acute lymphoblastic leukemia or mature B-ALL (FAB L3 subtype or Burkitt lymphoma/leukemia according to WHO classification). FucT-IX was not detected in precursor B or T-ALL. The expression of PSGL-1 and fucosylated epitopes was significantly different among AML and ALL, Lex, VIM-2 and sLex being more frequently expressed by myeloblasts than by lymphoblasts. The role of FucT-IV, -VII and -IX in the biosynthesis of Lex, VIM-2, CLA and sLex was examined by expressing the cDNA of each α1,3-FucT in CHO cells. Immunophenotypic analysis of CHO transfectants indicated that FucT-VII synthesizes sLex and CLA but not Lex or VIM-2. Lex and CLA were generated by both FucT-IV and -IX. FucT-IV and FucT-IX differed in their ability to synthesize VIM-2, FucT-IX being less efficient than FucT-IV. The role of FucT-IX in regulating selectin-dependent rolling was assessed under hydrodynamic flow conditions. P-selectin-dependent interactions were transient and occurred at high velocities (median: 497.95 1,µm/s, n=96). In contrast, much slower rolling velocities were observed on E-selectin (median: 7 µm/s, n=64). The recruitment of CHO-C2F9PSGL-1 and CHO-C2F7PSGL-1 cells was similar on E-selectin (mean ± SEM: 127.44 ± 4.38, n=5 vs 151.16 ± 3.16 cells/min/mm2, n=5). In the other hand, CHO-C2F4PSGL-1 cells were less efficiently recruited on E-selectin (54.20 ± 2.13 cells/min/mm2, n=5). This results indicate that FucT-IX is involved in the biosynthesis of Lex, VIM-2 and CLA and that it confers E-selectin binding activity to CHO cells. By contrast to FucT-IV and -VII, FucT-IX had a minor role in regulating P- and L-selectin-dependent rolling on CHO transfectants. The frequent expression of FucT-IX in myeloblasts suggests that it may participate with FucT-IV and -VII in regulating E-selectin-dependent cell migration into tissues. Finally, this thesis work was extended to the identification of the cytoplasmic proteins interacting with cytoplasmic domain of PSGL-1 that may be involved in transducing intracellular signals. We planned to identify these intracellular ligands of PSGL-1 by using the double hybrid technique and already confirmed that syk and N-moesin bind to the cytoplasmic domain of PSGL-1. Additional PSGL-1 ligands will be sought by the same technique using a CD34+ stem cell library as pray. RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC : L'adhésion et la migration leucocytaire sont nécessaires à de nombreux processus cellulaires comme la régulation de l'hématopoïèse, mais aussi dans la pathogenèse de l'artériosclérose, des maladies inflammatoires et de la métastatisation des cellules cancéreuses. Les molécules impliquées constituent depuis peu des cibles pour la thérapie du cancer. La migration leucocytaire vers un site d'inflammation dépend de mécanismes complexes, se déroulant en plusieurs étapes, nécessitant l'interaction séquentielle de molécules d'adhésion leucocytaires et endothéliales. Ainsi, chronologiquement, suite à un stimulus inflammatoire, les leucocytes « roulent » sur les cellules endothéliales, sont activées, s'arrêtent et traversent la paroi endothéliale (diapédèse) pour migrer dans les tissus environnants inflammés selon un gradient chimiotactique. La première étape de roulement met en jeu deux molécules principales : PSGL-1 (P-Sélectine Glycoprotéine Ligand-1) du coté des leucocytes et les sélectines du coté de l'endothélium de la paroi vasculaire. L'interaction entre ces deux molécules nécessite des décorations de ces protéines par des sucres, des résidus sulfates et des acides sialiques. Le sucre essentiel à la liaison demeure le fucose qui est attaché aux protéines grâce à des enzymes de la famille des fucosyltransferases. Actuellement, neuf fucosyltransférases humaines ont été identifiées et désignées sous FucT-I à IX. La FucT-IX, dernière fucosyltransférase clonée, a un faible degré d'homologie avec les autres fucosyltransférases mais sa séquence est extrêmement conservée entre les espèces. Ceci traduit son importance par une forte résistance à la pression évolutive. L'examen de son expression au sein de 120 cas de leucémies aiguës a mis en évidence son comportement atypique. En effet, alors que les autres FucTs sont toujours présentes, la FucT¬IX ne s'exprime que dans un cas sur deux en moyenne avec une préférence plus importante pour les leucémies myéloïdes. Ainsi, une étude plus approfondie de cet enzyme à mis en évidence sa capacité à induire une interaction cellulaire plus spécifique de la E-sélectine. Elle décore non seulement des protéines de surface, mais aussi certainement les glycolipides constituant la membrane cellulaire.

Regulation of P-selectin glycoprotein ligand 1 (PSGL-1) interactions with selectins : role of the decameric repeats and of the cytoplasmic domain

SUMMARY BACKGROUND: P-selectin glycoprotein ligand 1 (PSGL-1) is a major selectin ligand, mediating leukocyte rolling along inflamed vascular wall. It is a mucin-like homodimer composed of a N-terminal domain which binds selectins, followed by 14-16 decameric repeats (DR), a transmembrane domain and a cytoplasmic tail, which may be involved in regulating leukocyte rolling and in generating intracellular signals, through its binding to moesin and Syk. P- and L-selectin binding is dependent on core-2 O-glycosylation and tyrosine sulfation of PSGL-1 N-terminus. However, a minor part of E-selectin-mediated rolling is dependent on N-terminal O-glycans; additional binding sites may thus be involved. In this project, we studied whether (1) PSGL-1 DR and (2) PSGL-1 cytoplasmic residues which bind moesin, were also involved in the regulation of selectin-dependent rolling. METHODS: Several mutated cDNAs were obtained: (1) PSGL-1 DR were either deleted, or substituted by platelet GPlba macroglycopeptide, (2) Ser-336, -348, Lys-337 and Arg-338 were mutated to alanine; moreover, truncation mutants retaining only 6 or 2 cytoplasmic residues were also generated. Transfected CHO expressing mutant PSGL-1 were tested for their ability to bind soluble selectin chimeras and to support selectin-dependent rolling under flow conditions. RESULTS: (1) Deletion of the DR had a dramatic effect on P- and L-selectin-dependent cell recruitment and rolling stability, which could only partially be compensated for, by GPlba substitution. In addition, we observed that DR create a binding site for E-selectin and thus support PSGL-1-dependent rolling. (2) Flow assays revealed that the moesin-binding site, in particular Ser-336, plays a crucial role in regulating the recruitment, velocity and rolling stability of PSGL-1-expressing cells on P- and L-selectin. CONCLUSIONS: Data presented here highlight the structure -function relationship of PSGL-1 DR. Moreover, they reveal a crucial role for the moesin-binding residues in regulating P-and L-selectin-dependent rolling. RÉSUMÉ CONTEXTE: PSGL-1 (P-selectin glycoprotein ligand 1) est un ligand majeur des sélectines permettant le roulement des leucocytes le long de la paroi vasculaire enflammée. C'est un homodimère de type mucine, composé d'un domaine N-terminal liant les sélectines, suivi de 14-16 répétitions décamèriques (RD), d'un domaine transmembranaire et d'une queue cytoplasmique qui pourrait être impliquée dans la régulation du roulement leucocytaire et la génération de signaux intracellulaires, via sa liaison à la moésine et à Syk. La liaison à la Pet à la L-sélectine dépend de la présentation par le N-terminus de PSGL-1 de O-glycans sur des structures core-2 et de tyrosines sulfatées. Cependant, une fraction mineure du roulement médié par la E-sélectine dépend des O-glycans N-terminaux; des sites de liaisons supplémentaires pourraient donc être impliqués. Dans ce projet, nous avons étudié si (1) les RD de PSGL-1 ainsi que (2) les résidus cytoplasmiques liant la moésine, étaient impliqués dans la régulation du roulement dépendant des sélectines. MÉTHODES: Plusieurs ADN codant des formes mutées de PSGL-1 ont été obtenus: (1) Les RD de PSGL-1 ont été soit ôtées, soit remplacées par le macroglycopeptide de la GPlba plaquettaire, (2) les Ser-336, -348, la Lys-337 et l'Arg-338 ont été mutées en alanine; par ailleurs, des mutants tronqués ne retenant plus que 6 ou 2 résidus cytoplasmiques ont également été générés. Des CHO transfectées exprimant PSGL-1 muté ont été testées pour leur capacité à lier des sélectines chimériques solubles et à soutenir un roulement dépendant des sélectines dans des conditions de flux. RÉSULTATS: (1) La perte des RD a eu un effet dramatique sur le recrutement cellulaire et la stabilité de roulement dépendant des P- et L-sélectine, qui n'a pu être que partiellement compensé par la substitution par la GPlba. De plus, nous avons observé que les RD forment un site de liaison pour la E-sélectine et soutiennent ainsi le roulement dépendant de PSGL-1. (2) Les tests de flux ont révélé que le site de liaison à la moésine, notamment la Ser-336, joue un rôle crucial dans la régulation du recrutement, de la vitesse et de la stabilité du roulement des cellules exprimant PSGL-1 sur les P- et L-sélectine. CONCLUSIONS; Les données présentées ici ont permis d'éclaircir la relation structure -fonction des RD de PSGL-1. Par ailleurs, elles révèlent un rôle crucial pour les résidus liant la moésine dans le roulement dépendant des P- et L-sélectine. RÉSUMÉ DESTINÉ À UN LARGE PUBLIC Pour accomplir ses fonctions, le sang circule sur un réseau de 96'000 kilomètres; ainsi, il approvisionne les cellules de l'organisme en énergie, il transporte diverses substances, il assure la défense contre les pathogènes et il participe à la régulation de la température corporelle. Le sang contient plusieurs types de cellules: la grande majorité sont les globules rouges, auxquels il faut ajouter les plaquettes (dont le rôle est de colmater les lésions vasculaires) et les globules blancs (leucocytes) qui, bien que présents en très faible quantité (moins de 0.01 %), jouent un rôle crucial en cas d'infection ou d'inflammation. Une attaque par un pathogène provoque plusieurs changements (rougeur, chaleur, gonflement, douleur), qui sont des manifestations de l'inflammation. Pour atteindre l'agent infectieux, des globules blancs spécialisés (les granulocytes) doivent quitter la circulation sanguine. Afin de faciliter leur capture, les vaisseaux sanguins vont exprimer des protéines telles que les sélectines, qui sont reconnues par une protéine leucocytaire appelée PSGL-1 (P-selectin glycoprotein ligand 7). L'interaction des sélectines avec PSGL-1 soutient le roulement du globule blanc le long de la paroi vasculaire, à une vitesse très inférieure à celle du flux sanguin. Ce roulement conduit à l'activation du globule blanc par des molécules de l'inflammation, permettant son adhésion ferme, puis son arrêt. Finalement, le granulocyte va migrer à travers la paroi du vaisseau pour atteindre et éliminer les causes de l'inflammation. L'adhésion est un processus intéressant à caractériser, car outre l'inflammation, il est également impliqué dans l'artériosclérose, l'infarctus, la métastatisation et la thrombose. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à définir les rôles des différents domaines de PSGL-1 dans la régulation de son interaction avec les sélectines. En effet, en plus de son extrémité extracellulaire de haute affinité pour les sélectines, PSGL-1 est composé de plusieurs séquences répétées hautement glycosylées et d'une courte région intracellulaire, dont les fonctions n'avaient pas été étudiées auparavant. En créant des formes mutées de PSGL-1, nous avons pu montrer qu'un roulement efficace des leucocytes nécessite la présence des régions répétitives et du domaine intracellulaire au complet.

The role of NFI-C liver regeneration and its potential function as a general regulator of regenerative processes

Collectively, research aimed to understand the regeneration of certain tissues has unveiled the existence of common key regulators. Knockout studies of the murine Nuclear Factor I-C (NFI-C) transcription factor revealed a misregulation of growth factor signaling, in particular that of transforming growth factor ß-1 (TGF-ßl), which led to alterations of skin wound healing and the growth of its appendages, suggesting it may be a general regulator of regenerative processes. We sought to investigate this further by determining whether NFI-C played a role in liver regeneration. Liver regeneration following two-thirds removal of the liver by partial hepatectomy (PH) is a well-established regenerative model whereby changes elicited in hepatocytes following injury lead to a rapid, phased proliferation. However, mechanisms controlling the action of liver proliferative factors such as transforming growth factor-ßl (TGF-ß1) and plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1) remain largely unknown. We show that the absence of NFI-C impaired hepatocyte proliferation due to an overexpression of PAI-1 and the subsequent suppression of urokinase plasminogen (uPA) activity and hepatocyte growth factor (HGF) signaling, a potent hepatocyte mitogen. This indicated that NFI-C first acts to promote hepatocyte proliferation at the onset of liver regeneration in wildtype mice. The subsequent transient down regulation of NFI-C, as can be explained by a self- regulatory feedback loop with TGF-ßl, may limit the number of hepatocytes entering the first wave of cell division and/or prevent late initiations of mitosis. Overall, we conclude that NFI-C acts as a regulator of the phased hepatocyte proliferation during liver regeneration. Taken together with NFI-C's actions in other in vivo models of (re)generation, it is plausible that NFI-C may be a general regulator of regenerative processes. - L'ensemble des recherches visant à comprendre la régénération de certains tissus a permis de mettre en évidence l'existence de régulateurs-clés communs. L'étude des souris, dépourvues du gène codant pour le facteur de transcription NFI-C (Nuclear Factor I-C), a montré des dérèglements dans la signalisation de certains facteurs croissance, en particulier du TGF-ßl (transforming growth factor-ßl), ce qui conduit à des altérations de la cicatrisation de la peau et de la croissance des poils et des dents chez ces souris, suggérant que NFI-C pourrait être un régulateur général du processus de régénération. Nous avons cherché à approfondir cette question en déterminant si NFI-C joue un rôle dans la régénération du foie. La régénération du foie, induite par une hépatectomie partielle correspondant à l'ablation des deux-tiers du foie, constitue un modèle de régénération bien établi dans lequel la lésion induite conduit à la prolifération rapide des hépatocytes de façon synchronisée. Cependant, les mécanismes contrôlant l'action de facteurs de prolifération du foie, comme le facteur de croissance TGF-ßl et l'inhibiteur de l'activateur du plasminogène PAI-1 (plasminogen activator inhibitor-1), restent encore très méconnus. Nous avons pu montrer que l'absence de NFI-C affecte la prolifération des hépatocytes, occasionnée par la surexpression de PAI-1 et par la subséquente suppression de l'activité de la protéine uPA (urokinase plasminogen) et de la signalisation du facteur de croissance des hépatocytes HGF (hepatocyte growth factor), un mitogène puissant des hépatocytes. Cela indique que NFI-C agit en premier lieu pour promouvoir la prolifération des hépatocytes au début de la régénération du foie chez les souris de type sauvage. La subséquente baisse transitoire de NFI-C, pouvant s'expliquer par une boucle rétroactive d'autorégulation avec le facteur TGF-ßl, pourrait limiter le nombre d'hépatocytes qui entrent dans la première vague de division cellulaire et/ou inhiber l'initiation de la mitose tardive. L'ensemble de ces résultats nous a permis de conclure que NFI-C agit comme un régulateur de la prolifération des hépatocytes synchrones au cours de la régénération du foie.