Decrease in beta-Cell Proliferation Precedes Apoptosis during Diabetes Development in Bio-Breeding/Worcester Rat: Beneficial Role of Exendin-4

In autoimmune type 1 diabetes mellitus, proinflammatory cytokine-mediated apoptosis of beta-cells has been considered to be the first event directly responsible for beta-cell mass reduction. In the Bio-Breeding (BB) rat, an in vivo model used in the study of autoimmune diabetes, beta-cell apoptosis is observed from 9 wk of age and takes place after an insulitis period that begins at an earlier age. Previous studies by our group have shown an antiproliferative effect of proinflammatory cytokines on cultured beta-cells in Wistar rats, an effect that was partially reversed by Exendin-4, an analogue of glucagon-like peptide-1. In the current study, the changes in beta-cell apoptosis and proliferation during insulitis stage were also determined in pancreatic tissue sections in normal and thymectomized BB rats, as well as in Wistar rats of 5, 7, 9, and 11 wk of age. Although stable beta-cell proliferation in Wistar and thymectomized BB rats was observed along the course of the study, a decrease in beta-cell proliferation and beta-cell mass from the age of 5 wk, and prior to the commencement of apoptosis, was noted in BB rats. Exendin-4, in combination with anti-interferon-gamma antibody, induced a near-total recovery of beta-cell proliferation during the initial stages of insulitis. This highlights the importance of early intervention and, as well, the possibilities of new therapeutic approaches in preventing autoimmune diabetes by acting, initially, in the insulitis stage and, subsequently, on beta-cell regeneration and on beta-cell apoptosis.

Pharmacological administration of the isoflavone daidzein enhances cell proliferation and reduces high fat diet-induced apoptosis and gliosis in the rat hippocampus.

Soy extracts have been claimed to be neuroprotective against brain insults, an effect related to the estrogenic properties of isoflavones. However, the effects of individual isoflavones on obesity-induced disruption of adult neurogenesis have not yet been analyzed. In the present study we explore the effects of pharmacological administration of daidzein, a main soy isoflavone, in cell proliferation, cell apoptosis and gliosis in the adult hippocampus of animals exposed to a very high-fat diet. Rats made obese after 12-week exposure to a standard or high-fat (HFD, 60%) diets were treated with daidzein (50 mg kg(-1)) for 13 days. Then, plasma levels of metabolites and metabolic hormones, cell proliferation in the subgranular zone of the dentate gyrus (SGZ), and immunohistochemical markers of hippocampal cell apoptosis (caspase-3), gliosis (GFAP and Iba-1), food reward factor FosB and estrogen receptor alpha (ERα) were analyzed. Treatment with daidzein reduced food/caloric intake and body weight gain in obese rats. This was associated with glucose tolerance, low levels of HDL-cholesterol, insulin, adiponectin and testosterone, and high levels of leptin and 17β-estradiol. Daidzein increased the number of phospho-histone H3 and 5-bromo-2-deoxyuridine (BrdU)-ir cells detected in the SGZ of standard diet and HFD-fed rats. Daidzein reversed the HFD-associated enhanced immunohistochemical expression of caspase-3, FosB, GFAP, Iba-1 and ERα in the hippocampus, being more prominent in the dentate gyrus. These results suggest that pharmacological treatment with isoflavones regulates metabolic alterations associated with enhancement of cell proliferation and reduction of apoptosis and gliosis in response to high-fat diet.

TRAIL receptor-mediated JNK activation and Bim phosphorylation critically regulate Fas-mediated liver damage and lethality.

TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) is a member of the TNF family with potent apoptosis-inducing properties in tumor cells. In particular, TRAIL strongly synergizes with conventional chemotherapeutic drugs to induce tumor cell death. Thus, TRAIL has been proposed as a promising future cancer therapy. Little, however, is known regarding what the role of TRAIL is in normal untransformed cells and whether therapeutic administration of TRAIL, alone or in combination with other apoptotic triggers, may cause tissue damage. In this study, we investigated the role of TRAIL in Fas-induced (CD95/Apo-1-induced) hepatocyte apoptosis and liver damage. While TRAIL alone failed to induce apoptosis in isolated murine hepatocytes, it strongly amplified Fas-induced cell death. Importantly, endogenous TRAIL was found to critically regulate anti-Fas antibody-induced hepatocyte apoptosis, liver damage, and associated lethality in vivo. TRAIL enhanced anti-Fas-induced hepatocyte apoptosis through the activation of JNK and its downstream substrate, the proapoptotic Bcl-2 homolog Bim. Consistently, TRAIL- and Bim-deficient mice and wild-type mice treated with a JNK inhibitor were protected against anti-Fas-induced liver damage. We conclude that TRAIL and Bim are important response modifiers of hepatocyte apoptosis and identify liver damage and lethality as a possible risk of TRAIL-based tumor therapy.

MRI visualized neo-intimal dissection and co-localization of novel apoptotic markers apolipoprotein C-1, ceramide and caspase-3 in a Watanabe hyperlipidemic rabbit model

PURPOSE: Apoptotic arterial wall vascular smooth muscle cell death is known to contribute to plaque vulnerability and rupture. Novel apoptotic markers like apolipoprotein C-I have been implicated in apoptotic human vascular smooth muscle cell death via recruiting a neutral sphingomyelinase (N-SMase)-ceramide pathway. In vivo relevance of these observations in an animal model of plaque rupture has not been shown. METHODS AND RESULTS: Using Watanabe rabbits, we investigated three different groups (group 1, three normal Watanabe rabbits; group 2, six Watanabe rabbits fed with high cholesterol diet for 3 months; group 3, five Watanabe rabbits with similar diet but additional endothelial denudation). We followed progression of atherosclerosis to pharmacologically induced plaque rupture non-invasively using novel 3D magnetic resonance Fast-Field-Echo angiography (TR=7.2, TE=3.6 ms, matrix=512 x 512) and Fast-Spin-Echo vessel wall imaging methods (TR=3 heart beats, TE=10.5 ms, matrix=304 x 304) on 1.5 T MRI. MRI provided excellent image quality with good MRI versus histology vessel wall thickness correlation (r=0.8). In six animals of group 2/3 MRI detected neo-intimal dissection in the abdominal aorta which was accompanied by immuno-histochemical demonstration of concomitant aforementioned novel apoptotic markers, previously implicated in the apoptotic smooth muscle cell death in vitro. CONCLUSIONS: Our studies suggest a potential role for the signal transduction pathway involving apolipoprotein C-I for in vivo apoptosis and atherosclerotic plaque rupture visualized by MRI.

Role of mTOR, Bad, and Survivin in RasGAP Fragment N-Mediated Cell Protection.

Partial cleavage of p120 RasGAP by caspase-3 in stressed cells generates an N-terminal fragment, called fragment N, which activates an anti-apoptotic Akt-dependent survival response. Akt regulates several effectors but which of these mediate fragment N-dependent cell protection has not been defined yet. Here we have investigated the role of mTORC1, Bad, and survivin in the capacity of fragment N to protect cells from apoptosis. Neither rapamycin, an inhibitor of mTORC1, nor silencing of raptor, a subunit of the mTORC1 complex, altered the ability of fragment N from inhibiting cisplatin- and Fas ligand-induced death. Cells lacking Bad, despite displaying a stronger resistance to apoptosis, were still protected by fragment N against cisplatin-induced death. Fragment N was also able to protect cells from Fas ligand-induced death in conditions where Bad plays no role in apoptosis regulation. Fragment N expression in cells did neither modulate survivin mRNA nor its protein expression. Moreover, the expression of cytoplasmic survivin, known to exert anti-apoptotic actions in cells, still occurred in UV-B-irradiated epidermis of mouse expressing a caspase-3-resistant RasGAP mutant that cannot produce fragment N. Additionally, survivin function in cell cycle progression was not affected by fragment N. These results indicate that, taken individually, mTOR, Bad, or Survivin are not required for fragment N to protect cells from cell death. We conclude that downstream targets of Akt other than mTORC1, Bad, or survivin mediate fragment N-induced protection or that several Akt effectors can compensate for each other to induce the pro-survival fragment N-dependent response.

Theileria parva-transformed T cells show enhanced resistance to Fas/Fas ligand-induced apoptosis.

Lymphocyte homeostasis is regulated by mechanisms that control lymphocyte proliferation and apoptosis. Activation-induced cell death is mediated by the expression of death ligands and receptors, which, when triggered, activate an apoptotic cascade. Bovine T cells transformed by the intracellular parasite Theileria parva proliferate in an uncontrolled manner and undergo clonal expansion. They constitutively express the death receptor Fas and its ligand, FasL but do not undergo apoptosis. Upon elimination of the parasite from the host cell by treatment with a theilericidal drug, cells become increasingly sensitive to Fas/FasL-induced apoptosis. In normal T cells, the sensitivity to death receptor killing is regulated by specific inhibitor proteins. We found that anti-apoptotic proteins such as cellular (c)-FLIP, which functions as a catalytically inactive form of caspase-8, and X-chromosome-linked inhibitor of apoptosis protein (IAP) as well as c-IAP, which can block downstream executioner caspases, are constitutively expressed in T. parva-transformed T cells. Expression of these proteins is rapidly down-regulated upon parasite elimination. Antiapoptotic proteins of the Bcl-2 family such as Bcl-2 and Bcl-x(L) are also expressed but, in contrast to c-FLIP, c-IAP, and X-chromosome-linked IAP, do not appear to be tightly regulated by the presence of the parasite. Finally, we show that, in contrast to the situation in tumor cells, the phosphoinositide 3-kinase/Akt pathway is not essential for c-FLIP expression. Our findings indicate that by inducing the expression of antiapoptotic proteins, T. parva allows the host cell to escape destruction by homeostatic mechanisms that would normally be activated to limit the continuous expansion of a T cell population.

Why human islets die? analysis of death signaling pathways during isolation and following cytokine treatments

RESUME Le diabète de type 1 se définit comme un désordre métabolique d'origine auto-immune qui aboutit à la destruction progressive et sélective de la cellule ß-pancréatique sécrétrice d'insuline. Cette maladie représente 10 % des cas de diabète enregistrés dans la population mondiale, et touche les jeunes de moins de 20 ans. Le traitement médical par insulinothérapie corrige le manque d'hormone mais ne prévient pas les nombreuses complications telles que les atteintes cardiaques, neurologiques, rénales, rétiniennes, et les amputations que la maladie provoque. Le remplacement de la cellule ß par transplantation d'îlots de Langerhans est une alternative prometteuse au traitement médical du diabète de type 1. Cependant la greffe d'îlots est encore un traitement expérimental et ne permet pas un contrôle efficace de la glycémie au long terme chez les patients transplantés, et les raisons de cet échec restent mal comprises. L'obstacle immédiat qui se pose est la purification d'un nombre suffisant d'îlots viables et la perte massive de ces îlots dans les premières heures suite à la greffe. Cette tendance presque systématique de la perte fonctionnelle du greffon immédiatement après la transplantation est connue sous le terme de « primary graft non-function » (PNF). En effet, la procédure d'isolement des îlots provoque la destruction des composantes cellulaires et non cellulaires du tissu pancréatique qui jouent un rôle déterminant dans le processus de survie de l'îlot. De plus, la transplantation elle-même expose les cellules à différents stress, notamment le stress par les cytokines inflammatoires qui encourage la mort cellulaire par apoptose et provoque par la suite le rejet de la greffe. L'ensemble de ces mécanismes aboutit a une perte de la masse d'îlot estimée a plus de 60%. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à définir les voies majeures de stress qui régissent cette perte massive d'îlot par apoptose lors du processus d'isolement et suite à l'exposition immédiate aux cytokines. L'ensemble des résultats obtenus indique que plusieurs voies de signalisation intracellulaire sont recrutées qui s'activent de manière maximale très tôt lors des premières phases de l'isolement. La mise en culture des îlots deux jours permet aux voies activées de revenir aux taux de base. De ce fait nous proposons une stratégie dite de protection qui doit être 1) initiée aussitôt que possible lors de l'isolement des îlots pancréatiques, 2) devrait probablement bloquer l'activation de ces différentes voies de stress mis en évidence lors de notre étude et 3) devrait inclure la mise en culture des îlots purifiés deux jours après l'isolement et avant la transplantation. RESUME LARGE PUBLIC Le diabète est une maladie qui entraîne un taux anormalement élevé de sucre (glucose) dans le sang du à une insuffisance du pancréas endocrine à produire de l'insuline, une hormone qui régule la glycémie (taux de glucose dans le sang). On distingue deux types majeurs de diabètes; le diabète de type 1 ou juvénile ou encore appelé diabète maigre qui se manifeste souvent pendant l'enfance et qui se traduit par une déficience absolue en insuline. Le diabète de type 2 ou diabète gras est le plus fréquent, et touche les sujets de plus de 40 ans qui souffrent d'obésité et qui se traduit par une dysfonction de la cellule ß avec une incapacité à réguler la glycémie malgré la production d'insuline. Dans le diabète de type 1, la destruction de la cellule ß est programmée (apoptose) et est majoritairement provoquée par des médiateurs inflammatoires appelés cytokines qui sont produites localement par des cellules inflammatoires du système immunitaire qui envahissent la cellule ß-pancréatiques. Les cytokines activent différentes voies de signalisation parmi lesquelles on distingue celles des Mitogen-Activated Protein Kinase (MAPKs) composées de trois familles de MAPKs: ERK1/2, p38, et JNK, et la voie NF-κB. Le traitement médical par injections quotidiennes d'insuline permet de contrôler la glycémie mais ne prévient pas les nombreuses complications secondaires liées à cette maladie. La greffe d'îlots de Langerhans est une alternative possible au traitement médical, considérée avantageuse comparée a la greffe du pancréas entier. En effet l'embolisation d'îlots dans le foie par injection intraportale constitue une intervention simple sans complications majeures. Néanmoins la technique de préparation d'îlots altère la fonction endocrine et cause la perte massive d'îlots pancréatiques. De plus, la transplantation elle-même expose la cellule ß à différents stress, notamment le stress par les cytokines inflammatoires qui provoque le rejet de greffon cellulaire. Dans la perspective d'augmenter les rendements des îlots purifiés, nous nous sommes intéressés à définir les voies majeures de stress qui régissent cette perte massive d'îlot lors du processus d'isolement et suite à l'exposition immédiate aux cytokines après transplantation. L'ensemble de ces résultats indique que le stress induit lors de l'isolement des îlots et celui des cytokines recrute différentes voies de signalisation intracellulaire (JNK, p38 et NF-κB) qui s'additionnent entre-elles pour altérer la fonction et la viabilité de l'îlot. De ce fait une stratégie doit être mise en place pour bloquer toute action synergique entre ces différentes voies activées pour améliorer la viabilité et la fonction de la cellule ß lors du greffon cellulaire. SUMMARY Type 1 diabetes mellitus (T1DM) is an autoimmune disease characterized by the progressive and selective destruction of the pancreatic ß-cells that secrete insulin, leading to absolute insulin deficiency. T1DM accounts for about 10% of all diabetes cases, affecting persons younger than 20 years of age. Medical treatment using daily exogenous insulin injection corrects hormone deficiency but does not prevent devastating complications such as heart attack, neuropathy, kidney failure, blindness, and amputation caused by the disease. Pancreatic islet transplantation (PIT) is one strategy that holds promise to cure patients with T1DM, but purified pancreatic islet grafts have failed to maintain long-term glucose homeostasis in human recipients, the reasons for this failure being still poorly understood. There is however a more immediate problem with islet grafting that is dependent upon poor islet recovery from donors and early islet loss following the first hours of grafting. This tendency of islet grafts to fail to function within a short period after transplantation is termed primary graft non-function (PNF). Indeed, the islet isolation procedure itself destroys cellular and non-cellular components of the pancreas that may play a role in supporting islet survival. Further, islet transplantation exposes cells to a variety of stressful stimuli, notably pro-inflammatory cytokines that encourage ß-cell death by apoptosis and lead to early graft failure. Altogether these mechanisms lead to an estimated loss of 60% of the total islet mass. Here, we have mapped the major intracellular stress signaling pathways that may mediate human islet loss by apoptosis during isolation and following cytokine attack. We found that several stress pathways are maximally activated from the earliest stages of the isolation procedure. Culturing islet for two days allow for the activated pathways to return to basal levels. We propose that protective strategies should 1) be initiated as early as possible during isolation of the islets, 2) should probably target the activated stress pathways that we uncovered during our studies and 3) should include culturing islets for two days post-isolation and prior transplantation.

Defective TNF-alpha-mediated hepatocellular apoptosis and liver damage in acidic sphingomyelinase knockout mice

This study addressed the contribution of acidic sphingomyelinase (ASMase) in TNF-alpha-mediated hepatocellular apoptosis. Cultured hepatocytes depleted of mitochondrial glutathione (mGSH) became sensitive to TNF-alpha, undergoing a time-dependent apoptotic cell death preceded by mitochondrial membrane depolarization, cytochrome c release, and caspase activation. Cyclosporin A treatment rescued mGSH-depleted hepatocytes from TNF-alpha-induced cell death. In contrast, mGSH-depleted hepatocytes deficient in ASMase were resistant to TNF-alpha-mediated cell death but sensitive to exogenous ASMase. Furthermore, although in vivo administration of TNF-alpha or LPS to galactosamine-pretreated ASMase(+/+) mice caused liver damage, ASMase(-/-) mice exhibited minimal hepatocellular injury. To analyze the requirement of ASMase, we assessed the effect of glucosylceramide synthetase inhibition on TNF-alpha-mediated apoptosis. This approach, which blunted glycosphingolipid generation by TNF-alpha, protected mGSH-depleted ASMase(+/+) hepatocytes from TNF-alpha despite enhancement of TNF-alpha-stimulated ceramide formation. To further test the involvement of glycosphingolipids, we focused on ganglioside GD3 (GD3) because of its emerging role in apoptosis through interaction with mitochondria. Analysis of the cellular redistribution of GD3 by laser scanning confocal microscopy revealed the targeting of GD3 to mitochondria in ASMase(+/+) but not in ASMase(-/-) hepatocytes. However, treatment of ASMase(-/-) hepatocytes with exogenous ASMase induced the colocalization of GD3 and mitochondria. Thus, ASMase contributes to TNF-alpha-induced hepatocellular apoptosis by promoting the mitochondrial targeting of glycosphingolipids.

p38/MKP-1-regulated AKT coordinates macrophage transitions and resolution of inflammation during tissue repair

Repair of damaged tissue requires the coordinated action of inflammatory and tissue-specific cells to restore homeostasis, but the underlying regulatory mechanisms are poorly understood. In this paper, we report new roles for MKP-1 (mitogen-activated protein kinase [MAPK] phosphatase-1) in controlling macrophage phenotypic transitions necessary for appropriate muscle stem cell¿dependent tissue repair. By restricting p38 MAPK activation, MKP-1 allows the early pro- to antiinflammatory macrophage transition and the later progression into a macrophage exhaustion-like state characterized by cytokine silencing, thereby permitting resolution of inflammation as tissue fully recovers. p38 hyperactivation in macrophages lacking MKP-1 induced the expression of microRNA-21 (miR-21), which in turn reduced PTEN (phosphatase and tensin homologue) levels, thereby extending AKT activation. In the absence of MKP-1, p38-induced AKT activity anticipated the acquisition of the antiinflammatory gene program and final cytokine silencing in macrophages, resulting in impaired tissue healing. Such defects were reversed by temporally controlled p38 inhibition. Conversely, miR-21¿AKT interference altered homeostasis during tissue repair. This novel regulatory mechanism involving the appropriate balance of p38, MKP-1, miR-21, and AKT activities may have implications in chronic inflammatory degenerative diseases.

Ammonia-induced toxicity in developing brain cells and strategies for neuroprotection

RESUME L'hyperammonémie est particulièrement toxique pour le cerveau des jeunes patients et entraîne une atrophie corticale, un élargissement des ventricules et des défauts de myélinisation, responsables de retards mentaux et développementaux. Les traitements actuels se limitent à diminuer le plus rapidement possible le taux d'ammoniaque dans l'organisme. L'utilisation de traitements neuroprotecteurs pendant les crises d'hyperammonémie permettrait de contrecarrer les effets neurologiques de l'ammoniaque et de prévenir l'apparition des troubles neurologiques. Au cours de cette thèse, nous avons testé trois stratégies de neuroprotection sur des cultures de cellules en agrégats issues du cortex d'embryons de rats et traitées à l'ammoniaque. - Nous avons tout d'abord testé si l'inhibition de protéines intracellulaires impliquées dans le déclenchement de la mort cellulaire pouvait protéger les cellules de la toxicité de l'ammoniaque. Nous avons montré que L'exposition à l'ammoniaque altérait la viabilité des neurones et des oligodendrocytes, et activait les caspases, la calpaïne et la kinase-5 dépendante des cyclines (cdk5) associée à son activateur p25. Alors que l'inhibition pharmacologique des caspases et de la calpaïne n'a pas permis de protéger les cellules cérébrales, un inhibiteur de la cdk5, appelé roscovitine, a réduit significativement la mort neuronale. L'inhibition de la cdk5 semble donc être une stratégie thérapeutique prometteuse pour prévenir 1es effets toxiques de 1'ammoniaque sur les neurones. - Nous avons ensuite étudié les mécanismes neuroprotecteurs déclenchés par le cerveau en réponse à la toxicité de l'ammoniaque. Nous avons montré que l'ammoniaque induisait la synthèse du facteur neurotrophique ciliaire (CNTF) par les astrocytes, via l'activation de la protéine kinase (MIAPK) p38. D'autre part, l'ajout de CNTF a permis de protéger les oligodendrocytes mais pas les neurones des cultures exposées à l'ammoniaque, via les voies de signalisations JAK/STAT, SAPK/JNK et c-jun. - Dans une dernière partie, nous avons voulu contrecarrer, par l'ajout de créatine, le déficit énergétique cérébral induit par l'ammoniaque. La créatine a permis de protéger des cellules de type astrocytaire mais pas les cellules cérébrales en agrégats. Cette thèse amis en évidence que les stratégies de neuroprotection chez les patients hyperammonémiques nécessiteront de cibler plusieurs voies de signalisation afin de protéger tous les types cellulaires du cerveau. Summary : In pediatric patients, hyperammonemia is mainly caused by urea cycle disorders or other inborn errors of metabolism, and leads to neurological injury with cortical atrophy, ventricular enlargement and demyelination. Children rescued from neonatal hyperammonemia show significant risk of mental retardation and developmental disabilities. The mainstay of therapy is limited to ammonia lowering through dietary restriction and alternative pathway treatments. However, the possibility of using treatments in a neuroprotective goal may be useful to improve the neurological outcome of patients. Thus, the main objective of this work was to investigate intracellular and extracellular signaling pathways altered by ammonia tonicity, so as to identify new potential therapeutic targets. Experiments were conducted in reaggregated developing brain cell cultures exposed to ammonia, as a model for the developing CNS of hyperammonemic young patients. Theses strategies of neuroprotection were tested: - The first strategy consisted in inhibiting intracellular proteins triggering cell death. Our data indicated that ammonia exposure altered the viability of neurons and oligodendrocytes. Apoptosis and proteins involved in the trigger of apoptosis, such as caspases, calpain and cyclin-dependent kinase-5 (cdk5) with its activator p25, were activated by ammonia exposure. While caspases and calpain inhibitors exhibited no protective effects, roscovitine, a cdk5 inhibitor, reduced ammonia-induced neuronal death. This work revealed that inhibition of cdk5 seems a promising strategy to prevent the toxic effects of ammonia on neurons. - The second strategy consisted in mimicking, the endogenous protective mechanisms triggered by ammonia in the brain. Ammonia exposure caused an increase of the ciliary neurotrophic factor (CNTF) expression, through the activation of the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) in astrocytes. Treatment of cultures exposed to ammonia with exogenous CNTF demonstrated strong protective effects on oligodendrocytes but not on neurons. These protective effects seemed to involve JAK/STAT, SAPK/JNK and c-jun proteins. - The third strategy consisted in preventing the ammonia-induced cerebral energy deficit with creatine. Creatine treatment protected the survival of astrocyte-like cells through MAPKs pathways. In contrast, it had no protective effects in reaggregated developing brain cell cultures exposed to ammonia. The present study suggests that neuroprotective strategies should optimally be directed at multiple targets to prevent ammonia-induced alterations of the different brain cell types.

Individual caspase-10 isoforms play distinct and opposing roles in the initiation of death receptor-mediated tumour cell apoptosis.

The cysteine protease caspase-8 is an essential executioner of the death receptor (DR) apoptotic pathway. The physiological function of its homologue caspase-10 remains poorly understood, and the ability of caspase-10 to substitute for caspase-8 in the DR apoptotic pathway is still controversial. Here, we analysed the particular contribution of caspase-10 isoforms to DR-mediated apoptosis in neuroblastoma (NB) cells characterised by their resistance to DR signalling. Silencing of caspase-8 in tumour necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL)-sensitive NB cells resulted in complete resistance to TRAIL, which could be reverted by overexpression of caspase-10A or -10D. Overexpression experiments in various caspase-8-expressing tumour cells also demonstrated that caspase-10A and -10D isoforms strongly increased TRAIL and FasL sensitivity, whereas caspase-10B or -10G had no effect or were weakly anti-apoptotic. Further investigations revealed that the unique C-terminal end of caspase-10B was responsible for its degradation by the ubiquitin-proteasome pathway and for its lack of pro-apoptotic activity compared with caspase-10A and -10D. These data highlight in several tumour cell types, a differential pro- or anti-apoptotic role for the distinct caspase-10 isoforms in DR signalling, which may be relevant for fine tuning of apoptosis initiation.

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.

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

Islet-brain1/JNK-interacting protein-1 is required for early embryogenesis in mice.

Islet-brain1/JNK-interacting protein-1 (IB1/JIP-1) is a scaffold protein that organizes the JNK, MKK7, and MLK1 to allow signaling specificity. Targeted disruption of the gene MAPK8IP1 encoding IB1/JIP-1 in mice led to embryonic death prior to blastocyst implantation. In culture, no IB1/JIP-1(-/-) embryos were identified indicating that accelerated cell death occurred during the first cell cycles. IB1/JIP-1 expression was detected in unfertilized oocytes, in spermatozoa, and in different stages of embryo development. Thus, despite the maternal and paternal transmission of the IB1/JIP-1 protein, early transcription of the MAPK8IP1 gene is required for the survival of the fertilized oocytes.

cDNA cloning and mapping of a novel islet-brain/JNK-interacting protein.

IB1/JIP-1 is a scaffold protein that regulates the c-Jun NH(2)-terminal kinase (JNK) signaling pathway, which is activated by environmental stresses and/or by treatment with proinflammatory cytokines including IL-1beta and TNF-alpha. The JNKs play an essential role in many biological processes, including the maturation and differentiation of immune cells and the apoptosis of cell targets of the immune system. IB1 is expressed predominantly in brain and pancreatic beta-cells where it protects cells from proapoptotic programs. Recently, a mutation in the amino-terminus of IB1 was associated with diabetes. A novel isoform, IB2, was cloned and characterized. Overall, both IB1 and IB2 proteins share a very similar organization, with a JNK-binding domain, a Src homology 3 domain, a phosphotyrosine-interacting domain, and polyacidic and polyproline stretches located at similar positions. The IB2 gene (HGMW-approved symbol MAPK8IP2) maps to human chromosome 22q13 and contains 10 coding exons. Northern and RT-PCR analyses indicate that IB2 is expressed in brain and in pancreatic cells, including insulin-secreting cells. IB2 interacts with both JNK and the JNK-kinase MKK7. In addition, ectopic expression of the JNK-binding domain of IB2 decreases IL-1beta-induced pancreatic beta-cell death. These data establish IB2 as a novel scaffold protein that regulates the JNK signaling pathway in brain and pancreatic beta-cells and indicate that IB2 represents a novel candidate gene for diabetes.