"In vitro" reconstitution of the fragmentation of vacuoles

Résumé La fragmentation des membranes est un processus commun à beaucoup d'organelles dans une cellule. Les mitochondries, le noyau, le réticulum endoplasmique, les phagosomes, les peroxisomes, l'appareil de Golgi et les lysosomes (vacuoles chez la levure) se fragmentent en plusieurs copies en réponse à des sitmulis environnementaux, tels que des stresses, ou dans une situtation normale durant le cycle cellulaire, afin d' être transférer dans les cellules filles. La fragmentation des membranes est également observée pendant le processus d'endocytose, lors de la formation de vésicules endocytiques, mais également dans tout le traffic intracellulaire, lors de la genèse d'une vésicule de transport. Le processus de fragmentation est donc généralement important. La découverte en 1991 d'une dynamin-like GTPase comme protéine impliquée dans la fragmentation de la membrane plasmique durant l'endocytose a ouvert ce domaine de recherche. Dès lors des dynamines ont été découvertes sur la pluspart des organelles, ce qui suggère un processus de fragmentation des membranes commun à l'ensemble de la cellule. Cependant, l'ensemble des protéines impliquées ainsi que le mécanisme de la fragmentation reste encore à élucider. Mon projet de thèse était d'établir un test in vitro de fragmentation des vacuoles utile à la compréhension du mécanisme de ce processus. Le choix de ce système est judicieux pour plusieurs raisons; premièrement les vacuoles fragmentent naturellement durant le cycle cellulaire, deuxièment leur taille permet de visualiser facilement leur morphologie par simple microscopie optique, finalement elles peuvent être isolées en quantité intéressante avec un haut degré de pureté. In vivo, les vacuoles peuvent être facilement fragmentées par un stress osmotique. Un tel test permet d'identifier des protéines impliquées dans le mécanisme comme dans le criblage que j'ai effectué sur l'ensemble de la collection de délétions des gènes non-essentiels chez la levure. Cependant un test in vitro est ensuite indispensable pour jouer avec les protéines découvertes afin d'en élucider le mécanisme. Avec mon test in vitro, j'ai confirmé l'implication des protéines SNAREs dans la fragmentation et j'ai permis de comprendre la régulation de la quantité de vacuoles et de leur taille par le complexe TORC1 dans une situation de stress. 7 Résumé large public Les cellules de chaque organisme sont composées de différents compartiments appelés organelles. Chacun possède une fonction bien définie afin de permettre la vie et la croissance de la cellule. Ils sont entourés de membrane, qui joue le role de barrière spécifiquement perméable, afin de garder l'intégrité de chacun. Dans des conditions de croissance normale, les cellules prolifèrent. Durant la division cellulaire amenant à la formation d'une nouvelle cellule, chaque organelle doit se diviser afin de fournir l'ensemble des organelles à la cellule fille. La division de chaque organelle nécessite la fragmentation de la membrane les entourant. Des protéines dynamine-like GTPase ont été découvertes sur presque l'ensemble des organelles d'une cellule. Elles sont impliquées dans les processus de fragmentation des membranes. Dès lors l'idée d'un mécanisme commun est apparu. Cependant cette réaction, par sa complexité, ne peut pas impliquer une protéine unique. La découverte d'autres facteurs et la compréhension du mécanisme reste à faire. La première étape peut se faire par étude in vivo, c'est-à-dire avec des cellules entières, la deuxième étape, quant à elle, nécessite d'isoler les protéines impliquées et de jouer avec les différents paramètres, ce qui signifie donc un travail in vitro, séparé des cellules. Mon travail a constisté à établir un procédé expérimental in vitro pour étudier la fragmentation des membranes. Je travaille avec des vacuoles de levures pour étudier les réactions membranaires. Les vacuoles sont les plus grandes organelles présentes dans les levures. Elles sont impliquées principalement dans la digestion. Comme toute organelle, elles se fragmentent durant la division cellulaire. Le procédé expérimental comporte une première étape, l'isolation des vacuoles et, deuxièmement, l'incubation de celles-ci avec des composés essentiels à la réaction. En parallèle, j'ai mis en évidence, par un travail in vivo, de nouvelles protéines impliquées dans le processus de fragmentation des membranes. Ceci a été fait en réalisant un criblage par microscopie d'une collection de mutants. Parmi ces mutants, j'ai cherché ceux qui présentaient un défaut dans la fragmentation des vacuoles. Ces deux procédés expérimentaux, in vitro et in vivo, m'ont permis de découvrir de nouvelles protéines impliquées dans cette réaction, ainsi que de mettre en évidence un mécanisme utlilisé par la cellule pour réguler la fragmentation des vacuoles. 8 Summary Fragmentation of membranes is common for many organelles in a cell. Mitochondria, nucleus, endoplasmic reticulum, phagosomes, peroxisomes, Golgi and lysosomes (vacuoles in yeast) fragment into multiple copies in response to environmental stimuli, such as stresses, or in a normal situation during the cell cycle in order to be transferred into the daughter cell. Fragmentation of membrane occurs during endocytosis, at the latest step in endocytic vesicle formation, and also in intracellular trafficking, when traffic vesicles bud. This field of research was opened in 1991 when a dynamin-like GTPase was found to be involved in fragmentation of the plasma membrane during endocytosis. Since dynamin-like GTPases have been found on most organelles, similarities in their mechanisms of fragmentation might exist. However, many proteins involved in the mechanism of fragmentation remain unknown. My thesis project was to establish an in vitro assay for membrane fragmentation in order to create a tool to study the mechanism of this process. I chose vacuoles as a model organelle for several reasons: first of all, vacuoles fragment under physiological conditions during cell cycle, secondly their size makes their morphology easily visible under the light microscope, and finally vacuoles can be isolated in good amounts with relatively high degrees of purity. In vivo, vacuole fragmentation can be induced with an osmotic shock. Such a simple assay facilitates the identification of new proteins involved in the process. I used this tool to screen of the entire knockout collection of non-essential genes in Saccharomyces cerevisiae for mutants defective in vacuole fragmentation. The in vitro system will be useful to characterize the mutants and to study the mechanism of fragmentation in detail. I used my in vitro assay to confirm the involvement of vacuolar SNARE proteins in fragmentation of the organelle and to uncover that number and size of vacuoles in the cell is regulated by the TORC1 complex via selective stimulation of fragmentation activity.

Revisiting the heteromultimeric structure of ENaC in Xenopus leavis oocytes

The epithelial sodium channel (ENaC) regulates the sodium reabsorption in the principal cells of collecting duct of the nephron, and is essential for the maintenance of Na+ balance and blood pressure. ENaC is regulated by hormones such as aldosterone and vasopressin, by serine proteases. The functional ENaC channel expressed at the cell surface is a hetemultimeric complex composed by the homologous a, ß and y subunits. Several functional and biochemical studies have provided evidence that the ENaC is a heterotetramer formed by 2a lß and ly subunits. Recently, a channel homologue of ENaC, the acid-sensing ion channel ASIC1 has been crystallized as a homotrimer. This discrepancy in the subunit composition of these two channels of the same family, motivated us to revisit the subunit oligomerization of the purified functional abg EnaC channel complex. His(6)ENaC a ß y subunits were expressed in Xenopus leavis oocytes. The three ENaC subunits copurify on Ni+2-NTA agarose beads in a aßy ENaC complex. On Western blot, the ENaC subunits show typical post-translation modifications associated with a functional channel. Using differentially tagged ENaC subunits, we could demonstrate that 2 different a ENaC co- purify with ß and y subunits, whereas only one single ß and y are detected in the ENaC complex. Comparison of the mass of the aßy ENaC complex on Western blot under non reducing conditions with different ENaC dimeric, trimmeric and tetratemeric concatamers indicate that the ENaC channel complex is a heterotetramer made of 2a-, lß-, and ly ENaC subunits. Our result will certainly not provide the last words on the subunit stoichiometry of the ENaC/ASIC channels, but hopefully will promote the réévaluation of the cASICl crystal structure for its functional relevance. -- Le canal épithélial sodique ENaC est responsable de la réabsorption du sodium dans les cellules principales du tubule collecteur rénal et joue un rôle important dans le maintien de l'homéostasie sodique et le maintien de la pression artérielle. Ce canal est régulé par des hormones telles que l'aldostérone ou la Vasopressine mais également par des sérines protéases. ENaC est un canal multimerique constitué des trois sous-unités homologues a, ß and y. De nombreuses études fonctionnelles et biochimiques ont montré que le canal ENaC fonctionnel exprimé à la surface cellulaire est un canal formé de 4 sous unités avec une stoichiometric préférentielle de 2 sous-unités a, 1 sous-unité ß et 1 sous-unité y. Récemment, la cristallisation du canal sodique sensible au pH acide, ASIC, un autre membre de la famille ENaC/Deg, a mis en évidence un canal homotrimérique. Cette divergence dans la composition en sous-unités formant les complexes ENaC et ASIC, deux canaux de la même famille de gènes, nous a motivé à réinvestiguer le problème de l'oligomérisation du complexe fonctionnel ENaC après purification. Dans ce but le complexe ENaC fait des sous-unités aßy marquées par un épitope His 6 ont été exprimées dans l'ovocyte de Xenopus leavis. Les trois sous-unités aßy du complexe ENaC peuvent être co-purifiées sur des billes d'agarose Ni+2-NTA et montrent les modifications post-traductionnelles attendues pour le complexe fonctionnel ENaC exprimé en surface. Nous avons pu démontrer que ce complexe ENaC fonctionnel, est formé de deux sous-unités a différentes, mais de une seule sous-unité ß et une seule sous-unité y, suggérant un complexe ENaC formé de plus de trois sous-unités. L'estimation de la masse du complexe fonctionnel ENaC par Western blot, en comparaison avec des constructions concatemériques de ENaC faites de 2, 3, ou 4 sous-unités indique que le complexe aßy ENaC fonctionnel est une hétérotétramère composé de 2 sous-unités a, une ß et une y. Ces expériences ne représentent pas le fin d'une controverse quant à la structure des canaux ENaC et ASIC, mais soulèvent la question de la relevance fonctionnelle de la structure tridimentionelle du canal ASIC révélée par crystallographie.

Genome reconstruction and comparative genomics of pneumocystis jirovecii

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

Expression and role of BORIS/CTCFL in human cancer stem cells

Le cancer est défini comme la croissance incontrôlée des cellules dans le corps. Il est responsable de 20 % des décès en Europe. Plusieurs expériences montrent que les tumeurs sont issues et se développent grâce à un petit nombre de cellules, que l'on appelle cellules souches cancéreuses (CSC). Ces CSC sont également responsables de l'apparition de métastases et de la résistance aux médicaments anticancéreux. De ce fait, l'identification des gènes qui contribuent aux propriétés de ces CSC (comme la survie des tumeurs, les métastases et la résistance aux médicaments) est nécessaire pour mieux comprendre la biologie des cancers et d'améliorer la qualité des soins des patients avec un cancer. A ce jour, de nombreux marqueurs ont été proposés ainsi que de nouvelles thérapies ciblées contre les CSC. Toutefois, et malgré les énormes efforts de la recherche dans ce domaine, la quasi-totalité des marqueurs de CSC connus à ce jour sont aussi exprimés dans les cellules saines. Ce projet de recherche visait à trouver un nouveau candidat spécifique des CSC. Le gène BORIS (pour Brother of Regulator of Imprinted Sites), nommé aussi CTCFL (CTCF-like), semble avoir certaines caractéristiques de CSC et pourrait donc devenir une cible prometteuse pour le traitement du cancer. BORIS/CTCFL est une protéine nucléaire qui se lie à l'ADN, qui est exprimée dans les tissus normaux uniquement dans les cellules germinales et qui est réactivée dans un grand nombre de tumeurs. BORIS est impliqué dans la reprogrammation épigénétique au cours du développement et dans la tumorigenèse. En outre, des études récentes ont montré une association entre l'expression de BORIS et un mauvais pronostic chez des patients atteints de différents types de cancers. Nous avons développé une nouvelle technologie basée sur les Molecular Beacon pour cibler l'ARNm de BORIS et cela dans les cellules vivantes. Grâce à ce système expérimental, nous avons montré que seule une toute petite sous-population (0,02 à 5%) de cellules tumorales exprimait fortement BORIS. Les cellules exprimant BORIS ont pu être isolées et elles présentaient les caractéristiques de CSC, telles qu'une forte expression de hTERT et des gènes spécifiques des cellules souches (NANOG, SOX2 et OCT4). En outre, une expression élevée de BORIS a été mise en évidence dans des populations enrichies en CSC ('side population' et sphères). Ces résultats suggèrent que BORIS pourrait devenir un nouveau et important marqueur de CSC. Dans des études fonctionnelles sur des cellules de cancer du côlon et du sein, nous avons montré que le blocage de l'expression de BORIS altère largement la capacité de ces cellules à former des sphères, démontrant ainsi un rôle essentiel de BORIS dans l'auto- renouvellement des tumeurs. Nos expériences montrent aussi que BORIS est un facteur important qui régule l'expression de gènes jouant un rôle clé dans le développement et la progression tumorale, tels le gène hTERT et ceux impliqués dans les cellules souches, les CSC et la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT). BORIS pourrait affecter la régulation de la transcription de ces gènes par des modifications épigénétiques et de manière différente en fonction du type cellulaire. En résumé, nos résultats fournissent la preuve que BORIS peut être classé comme un gène marqueur de cellules souches cancéreuse et révèlent un nouveau mécanisme dans lequel BORIS jouerait un rôle important dans la carcinogénèse. Cette étude ouvre de nouvelles voies pour mieux comprendre la biologie de la progression tumorale et offre la possibilité de développement de nouvelles thérapies anti-tumorales et anti-CSC avec BORIS comme molécule cible. - Cancer is defined as the uncontrolled growth of cells in the body. It causes 20% of deaths in the European region. Current evidences suggest that tumors originate and are maintained thanks to a small subset of cells, named cancer stems cells (CSCs). These CSCs are also responsible for the appearance of metastasis and therapeutic resistance. Consequently, the identification of genes that contribute to the CSC properties (tumor survival, metastasis and therapeutic resistance) is necessary to better understand the biology of malignant diseases and to improve care management. To date, numerous markers have been proposed to use as new CSC- targeted therapies. Despite the enormous efforts in research, almost all of the known CSCs markers are also expressed in normal cells. This project aimed to find a new CSC-specific candidate. BORIS (Brother of Regulator of Imprinted Sites) or CTCFL (CTCF-like) is a DNA binding protein involves in epigenetic reprogramming in normal development and in tumorigenesis. Recent studies have shown an association of BORIS expression with a poor prognosis in different types of cancer patients. Therefore, BORIS seems to have the same characteristics of CSCs markers and it could be a promising target for cancer therapy. BORIS is normally expressed only in germinal cells and it is re-expressed in a wide variety of tumors. We developed a new molecular beacon-based technology to target BORIS mRNA expressing cells. Using this system, we showed that the BORIS expressing cells are only a small subpopulation (0.02-5%) of tumor cells. The isolated BORIS expressing cells exhibited the characteristics of CSCs, with high expression of hTERT and stem cell genes (NANOG, SOX2 and OCT4). Furthermore, high BORIS expression was observed in the CSC-enriched populations (side population and spheres). These results suggest that BORIS might be a novel and powerful CSCs marker. In functional studies, we observed that BORIS knockdown significantly impairs the capacity to form spheres in colon and breast cancer cells, thus demonstrating a critical role of BORIS in the self-renewal of tumors. The results showed in the functional analysis indicate that BORIS is an important factor that regulates the expression of key-target genes for tumor development and progression, such as hTERT, stem cells, CSCs markers and EMT (epithelial mesenchymal transition)-related marker genes. BORIS could affect the transcriptional regulation of these genes by epigenetic modification and in a cell type dependent manner. In summary, our results support the evidence that BORIS can be classified as a cancer stem cell marker gene and reveal a novel mechanism in which BORIS would play a critical role in tumorigenesis. This study opens new prospective to understand the biology of tumor development and provides opportunities for potential anti-tumor drugs.

Transcriptional regulation of MDR1, a gene involved in antifungal drug resistance in Candida albicans

ABSTRACT Upregulation of the Major Facilitator transporter gene MDR1 (Multi_drug Resistance 1) is one of the mechanisms observed in Candida albicans clinical isolates developing resistance to azole antifungal agents. To better understand this phenomenon, the cis-acting regulatory elements present in a modulatable reporter system under the control of the MDR1 promoter were characterized. In an azole-susceptible strain, transcription of this reporter is transiently upregulated in response to either benomyl or H2O2, whereas its expression is constitutively high in an azole-resistant strain (FR2). Two cis-acting regulatory elements, that are necessary and sufficient to convey the same transcriptional responses to a heterologous promoter (CDR2), were identified within the MDR1promoter. The first element, called BRE (for Benomyl Response Element, -296 to -260 with respect to the ATG start codon), is required for benomyl-dependent MDR1 upregulation and for constitutive high expression of MDR1 in FR2. The second element, termed HRE (for H2O2 Response Element, -561 to -520), is required for H2O2-dependent MDR1 upregulation, but is dispensable for constitutive high expression. Two potential binding sites (TTAG/CTAA) for the blip transcription factor Cap1p lie within the HRE. Moreover, inactivation of CAP1 abolished the transient response to H2O2 and diminished significantly the transient response to benomyl. Cap1p, which has been previously implicated in cellular responses to oxidative stress, may thus play a transacting and positive regulatory role in benomyl- and H2O2-dependent transcription of MDR1. However, it is not the only transcription factor involved in the response of MDR1 to benomyl. A minimal BRE element (-290 to -273) that is sufficient to detect in vitro sequence-specific binding of protein complexes in crude extracts prepared from C. albicans was also delimited. Genome-wide transcript profiling analyses undertaken with a matched pair of clinical isolates, one of which being azole-resistant and upregulating MDR1, and with an azole-susceptible strain exposed to benomyl, revealed that genes specifically upregulated by benomyl harbour in their promoters Cap1p binding site(s). This strengthened the idea that Cap1p plays a role in benomyl-dependent upregulation of MDR1. BRE-like sequences were also identified in several genes co-regulated with MDR1 in both conditions, which was consistent with the involvement of the BRE in both processes. A set of 147 mutants lacking a single transcription factor gene was next screened for loss of MDR1response to benomyl. Unfortunately, none of the tested mutants showed a loss of benomyl-dependent MDR1 upregulation. Nevertheless, a significant diminution of the response was observed in the mutants in which the MADS-box transcription factor Mcm1p and the C2H2 zinc finger transcription factor orf19.13374p were inactivated, suggesting that Mcm1p and orf19.13374p are involved in MDR1response to benomyl. Interestingly, the BRE contains a perfect match to the binding consensus of Mcm1p, raising the possibility that MDR1may be a direct target of this transcriptional activator. In conclusion, while the identity of the trans-acting factors that bind to the BRE and HRE remains to be confirmed, the tools we have developed during characterization of the cis-acting elements of the MDR1promoter should now serve to elucidate the nature of the components that modulate its activity. RESUME La surexpression du gène MDR1 (pour Résistance Multidrogue 1), qui code pour un transporteur de la famille des Major Facilitators, est l'un des mécanismes observés dans les isolats cliniques de la levure Candida albicans développant une résistance aux agents antifongiques appelés azoles. Pour mieux comprendre ce phénomène, les éléments de régulation agissant en cis dans un système rapporteur modulable sous le contrôle du promoteur MDR1 ont été caractérisés. Dans une souche sensible aux azoles, la transcription de ce rapporteur est transitoirement surélevée en réponse soit au bénomyl soit à l'agent oxydant H2O2, alors que son expression est constitutivement élevée dans une souche résistante aux azoles (souche FR2). Deux éléments de régulation agissant en cis, nécessaires et suffisants pour transmettre les mêmes réponses transcriptionnelles à un promoteur hétérologue (CDR2), ont été identifiés dans le promoteur MDR1. Le premier élément, appelé BRE (pour Elément de Réponse au Bénomyl, de -296 à -260 par rapport au codon d'initiation ATG) est requis pour la surexpression de MDR1dépendante du bénomyl et pour l'expression constitutive de MDR1 dans FR2. Le deuxième élément, appelé HRE (pour Elément de Réponse à l'H2O2, de -561 à -520), est requis pour la surexpression de MDR1 dépendante de l'H2O2, mais n'est pas impliqué dans l'expression constitutive du gène MDR1. Deux sites de fixation potentiels (TTAG/CTAA) pour le facteur de transcription Cap1p ont été identifiés dans l'élément HRE. De plus, l'inactivation de CAP1 abolit la réponse transitoire à l'H2O2 et diminua significativement la réponse transitoire au bénomyl. Cap1p, qui est impliqué dans les réponses de la cellule au stress oxydatif, doit donc jouer un rôle positif en trans dans la surexpression de MDR1 dépendante du bénomyl et de l'H2O2. Cependant, ce n'est pas le seul facteur de transcription impliqué dans la réponse au bénomyl. Un élément BRE d'une longueur minimale (de -290 à -273) a également été défini et est suffisant pour détecter une interaction spécifique in vitro avec des protéines provenant d'extraits bruts de C. albicans. L'analyse du profil de transcription d'une paire d'isolats cliniques comprenant une souche résistante aux azoles surexprimant MDR1, et d'une souche sensible aux azoles exposée au bénomyl, a révélé que les gènes spécifiquement surexprimés par le bénomyl contiennent dans leurs promoteurs un ou plusieurs sites de fixation pour Cap1p. Ceci renforce l'idée que Cap1p joue un rôle dans la surexpression de MDR1dépendante du bénomyl. Une ou deux séquences ressemblant à l'élément BRE ont également été identifiées dans la plupart des gènes corégulés avec MDR1 dans ces deux conditions, ce qui était attendu compte-tenu du rôle joué par cet élément dans les deux processus. Une collection de 147 mutants dans lesquels un seul facteur de transcription est inactivé a été testée pour la perte de réponse au bénomyl de MDR1. Malheureusement, la surexpression de MDR1 dépendante du bénomyl n'a été perdue dans aucun des mutants testés. Néanmoins, une diminution significative de la réponse a été observée chez des mutants dans lesquels le facteur de transcription à MADS-box Mcm1p et le facteur de transcription à doigts de zinc de type C2H2 orf19.13374p ont été inactivés, suggérant que Mcm1p et orf19.13374p sont impliqués dans la réponse de MDR1au bénomyl. Il est intéressant de noter que la BRE contient une séquence qui s'aligne parfaitement avec la séquence consensus du site de fixation de Mcm1p, ce qui soulève la possibilité que MDR1 pourrait être une cible directe de cet activateur transcriptionnel. En conclusion, alors que l'identité des facteurs agissant en trans en se fixant à la BRE et à la HRE reste à être confirmée, les outils que nous avons développés au cours de la caractérisation des éléments agissant en cis sur le promoteur MDR1 peut maintenant servir à élucider la nature des composants modulant son activité.

Amniotic fluid insulin-like growth factor binding-protein 3 concentration as early indicator of fetal growth restriction

Rapport de synthèse : Introduction : La croissance foetale infra-utérine dépend d'un grand nombre de facteurs maternels, placentaires et foetaux. Une inadéquation d'un ou plusieurs de ces facteurs peut induire un retard de croissance infra-utérin (RCIU) ou au contraire une macrosomie. Les principales causes de RCIU comprennent les infections maternelles, l'éclampsie, les cardiovasculopathies maternelles, la toxicomanie, les malformations foetales et les insuffisances placentaires. Les facteurs endocriniens constituent un petit pourcentage des causes de RCIU, mais méritent que l'on s'y intéresse de plus près. Les facteurs hormonaux les plus importants pour la croissance fatale sont l'insuline et les insuline-like growth factors (IGFs) et non l'hormone de croissance (GH) qui joue un rôle majeur dans la croissance postnatale. Notre attention s'est portée sur IGF-1 qui joue un rôle important dans la croissance intrautérine. Sa biodisponibilité dépend de plusieurs protéines plasmatiques, les IGF-binding proteins (IGFBP 1 à 9). IGFBP-3 est la principale de ces IGFBPs, autant d'un point de vue quantitatif que fonctionnel. Nous avons cherché à déterminer si les concentrations d'IGF-1 et d'IGFBP-3 dans le liquide amniotique au début du deuxième trimestre étaient prédictives de la croissance infra-utérine. Les gènes codant pour IGF-1 et IGFBP-3 contenant certaines séquences polymorphiques, nous avons également étudié leur influence sur la croissance foetale. L'analyse du liquide amniotique présente l'avantage de pouvoir être effectuée dès la 14ème semaine d'aménorrhée alors que la biométrie foetale échographique ne permet pas à ce stade de déceler des anomalies de la croissance infra-utérine. Méthode : Nous avons analysé des échantillons de liquide amniotique prélevés entre la 14ème et la 18ème semaine de grossesse chez 196 patientes. Les concentrations d'IGF-1 et d'IGFBP-3 ont été dosées par ELISA, les polymorphismes analysés par PCR. Ces résultats ont été ensuite analysés en fonction du poids de naissance des nouveaux-nés, répartis en trois groupes normal pour l'âge gestationnel (AGA), petit pour l'âge gestationnel (SGA) et grand pour l'âge gestationnel (LGA). Résultats : Les concentrations d'IGFBP3 dans le liquide amniotique sont significativement plus élevées (p = 0.030) dans le groupe SGA par rapport au groupe AGA, d'autant plus quand les taux sont ajustés en fonction de paramètres tels que l'âge gestationnel lors de l'amniocentèse (ANCOVA analysis : p = 0.009). La distribution du polymorphisme VNTR (variable number of tandem repeat) dans la région promotrice d'IGF-1 au sein du groupe SGA est significativement différente de celle du groupe AGA (p = 0.029). En effet, la fréquence de l'association allélique 19CA/20CA est diminuée dans le groupe SGA. Nous n'avons pas identifié de différence de distribution des séquences polymorphiques d'IGFBP-3 entre les différents groupes. Conclusion : Une concentration élevée d'IGFBP-3 dans le liquide amniotique au début du deuxième trimestre est associée à un risque plus élevé de retard de croissance alors que l'association allélique 19CA/20CA dans la région polymorphique IGF-1 VNTR est un facteur protecteur.

Effects of epigenetic regulatory elements on telomeric gene expression

Transgene expression in eukaryotic cells strongly depends on the locus of integration in the host genome and often results in limited transcription level because of unfavorable chromatin structure at the integration site. Epigenetic regulators are DNA sequences which are believed to act on the chromatin structure and may protect transgenes from this so-called position effect. Despite being extensively used to increase transgene expression, the mechanism of action of many of these elements remains largely unknown. Here we evaluated different epigenetic regulatory DNA elements for their ability to protect transgene transcription at telomeres, a defined chromatin environment associated to low or inconsistent expression caused by the Telomere Position Effect (TPE). For the assessment of the effects of epigenetic regulators at telomeres, a novel dual reporter system had to be designed. Telomeric integration of the newly-developed dual reporter system carrying different epigenetic regulators showed that MARs (Matrix Attachment Regions), a UCOE (Ubiquitous Chromatin-Opening Element) or the chicken cHS4 insulator have strong barrier activity which prevented TPE from spreading toward the centromere, resulting in stable and in some cases increased expression of a telomeric-distal reporter gene. In addition, MARs and STAR element 40 resulted in an increase of cells expressing the telomeric-proximal reporter gene, suggesting also an anti-silencing effect. Chromatin immunoprecipitation assays revealed that at telomeres MARs actively promote the deposition of euchromatic histone marks, especially acetylation of both histone H3 and H4, which might be involved in MARs' barrier and transcriptional activator activities. Differently, the chromatin in proximity of the UCOE element was depleted of several repressive chromatin marks, such as trimethylated lysine 9 and lysine 27 on histone H3 and trimethylated lysine 20 of histone H4, possibly favoring the preservation of an open chromatin structure at the integration site. We conclude that epigenetic regulatory elements that may be used to enhance and sustain transgene expression have all a specific epigenetic signature which might be at the basis of their mechanism of action, and that a combination of different classes of epigenetic regulators might be advantageous when high levels of protein expression are required. - L'expression des transgènes dans les cellules eucaryotes est fortement influencée par leur site d'intégration dans le génome. En effet, une structure chromatinienne défavorable au niveau du site d'intégration peut fortement limiter le degré d'expression d'un transgène. Il existe toutefois des séquences d'ADN qui, en agissant sur la structure de la chromatine, permettent de limiter cet effet de position et, par conséquent, de promouvoir l'expression soutenue d'un transgène. Ces éléments génomiques, connus comme régulateurs épigénétiques, sont largement utilisés dans plusieurs domaines où une expression élevée et soutenue est requise, malgré un mode de fonctionnement parfois méconnu. Dans cette étude, j'ai évalué la capacité de différents régulateurs épigénétiques à protéger la transcription de transgènes au niveau des télomères, régions chromatiniennes bien définies qui ont été associées à un fort effet de silençage, connu comme «effet de position télomérique». Pour cela, un nouveau système à deux gènes rapporteurs a été développé. Lorsque des MARs (Matrix Attachment Regions, séquences d'ADN pouvant s'associer à la matrice nucléaire), un UCOE (Ubiquitous Chromatin-Opening Element, élément pouvant ouvrir la chromatine) ou l'isolateur génétique cHS4 (dérivé du locus de la β-globine de poulet) sont placés entre les deux gènes rapporteurs, une forte activité barrière bloquant la propagation de la chromatine répressive télomérique est observée, résultant en un plus grand nombre de cellules exprimant le gène télomérique-distal. D'autre part, une augmentation du nombre de cellules exprimant le gène télomérique-proximal, observée en présence des éléments MAR et STAR 40 (Stabilizing Anti-Repressor element 40, un élément pouvant prévenir la répression génique), suggère aussi un faible effet anti-silençage pour ces éléments. Des expériences d'immunoprécipitation de la chromatine démontrent qu'au télomère, les MARs favorisent l'assemblage de marqueurs de la chromatine active, surtout l'acétylation des histones H3 et H4, qui pourraient être à la base de l'activité barrière et de celle d'activateur transcriptionel. Différemment, la chromatine à proximité de l'élément UCOE est particulièrement pauvre en marqueurs de la chromatine silencieuse, comme la trimethylation des lysines 9 et 27 de l'histone H3, ainsi que la trimethylation de la lysine 20 de l'histone H4. Cela suggère que UCOE pourrait préserver une structure chromatinienne ouverte au site d'intégration, favorisant l'expression des gènes à sa proximité. En conclusion, les régulateurs épigénétiques analysés lors de cette étude ont tous montré une signature épigénétique spécifique qui pourrait être à la base de leurs mécanismes de fonctionnement, suggérant aussi qu'une utilisation d'éléments épigénétiques de classe différente dans un même vecteur d'expression pourrait être avantageuse lorsque de hauts et soutenus niveaux d'expression sont nécessaires.

Sensing, uptake and response to c4-dicarboxylic acids in pseudomonas aeruginosa pao1

C4-dicarboxylates are one of the preferred carbon and energy sources for the growth of P. aeruginosa, a ubiquitous and metabolically versatile bacterium. However, despite their importance, C4-dicarboxylates sensing and uptake systems were poorly understood in P. aeruginosa and only little information was available in the literature. In our work, the C4-dicarboxylate transport (Dct) system in P. aeruginosa was found to be composed of a novel two-component system, called DctB/DctD, regulating together with the sigma factor RpoN the expression of two newly identified C4-dicarboxylate transporters: DctA and DctPQM. Inactivation of the dct A, dctB or dctD gene caused a growth defect of the strain in minimal media supplemented with succinate, fumarate or malate, indicating their major role in Dct. However, residual growth of the dctA mutant in these media suggested the presence of redundant C4-dicarboxylate transporter(s). Tn5 insertion mutagenesis of the kdctA mutant, combined with a screening for growth on succinate, led to the identification of a second Dct system, the DctPQM transporter, belonging to the tripartite ATP-independent periplasmic (TRAP) family of carriers. AdctAAdctPQM double mutant showed no growth on malate and fumarate albeit residual growth on succinate suggested that additional transporters for succinate are present. Competition experiments demonstrated that the DctPQM carrier was more efficient than the DctA carrier for the utilization of succinate at μΜ concentrations, whereas DctA was the major transporter at mM concentrations. For the first time, high- and low-affinity uptake systems for succinate (DctA and DctPQM) are reported to function co-ordinately to transport C4- dicarboxylates. Most probably, the presence of redundant uptake systems contributes to the versatility of this bacterium. Next, the regulation of the Dct system was investigated. While performing a parallel study about the carbon catabolite repression (CCR) phenomenon in P. aeruginosa, a link between the CCR cascade (CbrAB/CrcZ/Crc) and the Dct system was observed. Crc is a translational repressor acting when preferred carbon sources (like C4-dicarboxylates) are present. CrcZ is a small RNA acting as a functional antagonist of Crc and induced by the CbrA/CbrB two-component system when non preferred carbon sources (like mannitol) are utilized. Novel targets of the CbrAB/CrcZ/Crc system in P. aeruginosa were identified using transcriptome analysis; among them dctA and dctPQM were detected. CCR is regulating the dct transporter genes expression depending on the succinate concentrations in the medium of growth; this modulation of CCR is possible because, at the same time, succinate concentrations tune CCR. In a medium containing high succinate concentrations, CrcZ levels were low and therefore Crc inhibited the translation of mRNA targets. Whereas in a medium containing low succinate concentrations, the subsequent increase of CrcZ levels sequestered Crc, inhibiting its activity. This model shows for the first time that CCR possesses a feedback-based circuitry, a very important type of regulatory loop that confers the best adaptive response under changing environmental conditions. The expression of the dct transporter genes is also found to be regulated by the RNA chaperone protein Hfq. Hfq has the same post-transcriptional effect than Crc at high concentration of succinate, i.e. inhibiting dctP and dctR and indirectly favouring dctA expression. Moreover, an additional indirect positive regulation of dctP expression by Hfq was found. Finally, a metabolome approach was performed to investigate the internal signals modulating CCR via induction of CbrA activity in P. aeruginosa PAOl and P. putida KT2442. The results of the analysis are currently under study in the laboratory. - Les acides C4-dicarboxyliques font partie des sources de carbone et d'énergie préférés de P. aeruginosa, une bactérie versatile et ubiquitaire. Néanmoins, malgré leur importance, comment la présence des acides C4-dicarboxyliques dans le milieu est sentie par la bactérie et comment ils sont transportés dans la cellule chez P. aeruginosa n'étaient pas connus. De plus, peu d'informations sur ces procédés ont été répertoriées dans la littérature. Grace à notre travail, le système de transport des acides C4-dicarboxyliques (Dct) chez P. aeruginosa a pu être caractérisé. En effet, il est composé d'un nouveau système à deux composants, nommé DctB/DctD, qui régule, en combinaison avec le facteur sigma alternatif RpoN, l'expression des deux nouveaux transporteurs des acides C4-dicarboxyliques: DctA et DctPQM. L'inactivation des gènes dctA, dctB or dctD cause un défaut de croissance des souches mutantes dans un milieu minimum contenant du succinate, fumarate ou malate; confirmation de leur rôle dans le Dct. Cependant, une croissance résiduelle du mutant dctA dans ces milieux suggérerait une redondance des transporteurs d'acides Grdicarboxyliques. Une expérience de mutagenèse dans la souche AdctA, utilisant le transposon Tn5, combiné avec un criblage génétique sur la croissance dans le succinate, nous a permis d'identifier le deuxième transporteur DctPQM. DctPQM appartient à la famille des transporteurs TRAP (tripartite ATP-independent periplasmic). Un double mutant AdctAAdctPQM ne pousse pas dans du malate ou fumarate mais par contre présente une croissance résiduelle dans le succinate suggérant l'existence de transporteurs supplémentaires pour le succinate. En réalisant des expériences de compétitions nous avons démontré que le transporteur DctPQM est plus efficace que le transporteur DctA pour l'utilisation de succinate à une concentration de l'ordre du μΜ. Par contre, DctA est le transporteur le plus important pour une concentration de succinate de l'ordre du raM. Pour la première fois, deux systèmes de transport, un avec une forte- et un avec une faible-affinité (DctA et DctPQM) pour le succinate, sont coordonnés dans leur activité de transport des acides C4- dicarboxyliques, probablement contribuant à la versatilité de la bactérie. Ensuite, nous avons étudié la régulation du system Dct. En effectuant, en parallèle, une étude sur le phénomène de la répression catabolique (RC) chez P. aeruginosa, un lien entre la RC et le système Dct a été observé. La cascade des régulateurs formant la RC est composée de CbrA/CbrB, CrcZ et Crc. Crc est un répresseur traductionnel qui agit quand des sources de carbone préférées (comme les acides C4-dicarboxyliques) sont présentes dans le milieu. CrcZ est un petit ARN non-codant qui agit comme antagoniste de Crc. L'expression de CrcZ est induite par le système à deux composants CbrA/CbrB lorsque une source de carbone non-préférée est utilisée (comme le mannitol). Des nouvelles cibles du système CbrAB/CrcZ/Crc chez P. aeruginosa ont été identifiées grâce à une analyse du transcriptome des souches mutantes des régulateurs de la cascade. Parmi les cibles identifiées, les gènes dctA et dctPQM étaient présents. La RC régule l'expression des transporteurs dct en fonction de la concentration de succinate dans le milieu de croissance. Cette régulation est possible parce que, en même temps, les acides C4- dicarboxyliques régulent la RC. Dans un milieu contenant une grande concentration du succinate, le niveau d'expression de CrcZ est faible, donc Crc peut inhiber l'expression de ces ARN messagers cibles. Par contre, dans un milieu avec une faible concentration de succinate, l'augmentation de l'expression de CrcZ titre Crc et inhibe son activité. Ce modèle de régulation rétroactive est très important pour le phénomène de la RC, parce qu'il permet à la bactérie d'accorder une meilleure réponse à un changement environnemental. L'expression des gènes codant pour les transporteurs dct sont aussi régulés par la protéine chaperonne d'ARN Hfq. Hfq semble avoir le même effet traductionnelle que Crc, lorsqu'il y a une forte concentration de succinate. Nous avons ainsi observé une régulation négative de l'expression du gène dct Ρ et dctR, qui code pour un répresseur de la transcription de dctA. Nous avons aussi observé une régulation positive de la transcription de dctP par Hfq, probablement de façon indirecte. Enfin, une analyse du metabolome a était utilisée pour chercher les signaux internes modulant la RC et, en particulier, l'activité de la protéine senseur CbrA chez P. aeruginosa PAOl et P. putida KT2442. Les résultats de l'analyse sont en cours d'étude dans le laboratoire.

Phacomatoses et tumeurs génétiquement déterminées: la transition enfant-adulte [Phacomatosis and genetically determined tumors: the transition from childhood to adulthood]

Les phacomatoses regroupent des maladies du développement du neurectoderme, engendrant des manifestations cutanées ou du système nerveux central. Les symptômes de ces maladies peuvent affecter les individus atteints à différents moments de leur vie. Il s'agit de maladies, héréditaires ou congénitales, qui sont transmises de façon variable. Effectivement, certaines, telles que la neurofibromatose, la sclérose tubéreuse ou la maladie de von Hippel-Lindau sont autosomiques dominantes, alors que d'autres, telles que la maladie de Sturge-Weber sont sporadiques. Des transmissions autosomiques récessives liées à X ou des formes mosaïques existent également. Une revue de la littérature, comprenant les cinq phacomatoses les plus fréquemment vues par un neurochirurgien (neurofibromatose de type I et II, sclérose tubéreuse de Bourneville, maladie de Sturge-Weber-Krabbe, maladie de von Hippel-Lindau) a été effectuée en se centrant sur le diagnostic, la variabilité de la symptomatologie selon l'âge du patient et son traitement. Les cas de patients adultes et pédiatriques vus aux consultations de neurologie et neurochirurgie de l'hôpital de Lille (France) et Lausanne (Suisse), de 1961 à nos jours, ont été revus pour illustrer les différentes pathologies rencontrées, selon l'âge des patients atteints. Le phénotype de ces maladies se modifie avec l'âge, car les gènes incriminés sont des gènes impliqués dans la différentiation tissulaire et sont activés à des âges différents suivant les tissus. Le rôle du neurochirurgien sera variable selon l'âge et le syndrome du patient. Il importe de connaître les variations du phénotype de ces maladies avec l'âge ainsi que les conséquences à long terme des traitements pour proposer au patient un suivi neurochirurgical personnalisé. Phacomatoses, or neurocutaneous disorders, are a group of congenital and hereditary diseases characterized by developmental lesions of the neuroectoderm, leading to pathologies affecting the skin and the central nervous system. There is a wide range of pathologies affecting individuals at different moments of life. The genetics is variable: while neurofibromatosis 1 and 2, tuberous sclerosis and von Hippel-Lindau disease are all inherited as autosomal dominant traits, Sturge-Weber syndrome is sporadic. Other neurocutaneous disorders can be inherited as autosomal recessive traits (i.e., ataxia-telangiectasia), X-linked (i.e., incontinentia pigmenti) or explained by mosaicism (i.e., hypomelanosis of Ito, McCune-Albright syndrome). In this review, we discuss the major types of neurocutaneous disorders most frequently encountered by the neurosurgeon and followed beyond childhood. They include neurofibromatosis types 1 and 2, tuberous sclerosis, Sturge-Weber syndrome and von Hippel-Lindau disease. In each case, a review of the literature, including diagnosis, genetics and treatment will be presented. The lifespan of the disease with the implications for neurosurgeons will be emphasized. A review of cases, including both pediatric and adult patients, seen in neurosurgical practices in the Lille, France and Lausanne, Switzerland hospitals between 1961 and 2007 is presented to illustrate the pathologies seen in different age-groups. Because the genes mutated in most phacomatoses are involved in development and are activated following a timed schedule, the phenotype of these diseases evolves with age. The implication of the neurosurgeon varies depending on the patient's age and pathology. While neurosurgeons tend to see pediatric patients affected with neurofibromatosis type 1, tuberous sclerosis and Sturge-Weber syndrome, there will be a majority of adult patients with von Hippel-Lindau disease or neurofibromatosis type 2

The role of Bmi1 in CNS development and in retinal degeneration

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

Evolution in structured populations

Cet article est un compte-rendu du colloque "Evolution in Structured Population", tenu du 14 au 16 Septembre 1994 à l'Université de Lausanne. Consacré aux causes écologiques et conséquences évolutives d'horizons divers (zoologie, botanique, anthropologie, mathématiques), utilisant des approches variées, aussi bien empiriques que théoriques. Plusieurs exemples concrets de structurations génétiques de populations naturelles ont été documentés, et leurs causes analysées. Celles-ci sont variées, certaines étant extrinsèques à la biologie des espèces concernées (distances géographique, barrières écologiques, etc), d'autres intrinsèques (stratégies de reproduction, mutations chromosomiques). Les outils quantitatifs les plus largement utilisés pour analyser ces structures restent les F-statistiques de Whright; elles ont néanmoins fait l'objet de plusieurs critiques: d'une part, elles n'exploitent pas toute l'information disponible (certains orateurs ont d'ailleurs proposé diverses améliorations dans ce sens); d'autre part, les hypothèses qui sous-tendent leur interprétation conventionelle (en particulier l'hypothèse de populations à l'équilibre) sont régulièrement violées. Plusieurs des travaux présentés se sont précisément intéressés aux situations de déséquilibre et à leurs conséquences sur la dynamique et l'évolution des populations. Parmi celles ci: l'effet d'extinctions démiques sur les stratégies de dispersion des organismes et la structure génétique de leurs métapopulations, l'inadéquation du modèle classique de métapopulation, dit modèle en île (les modèles de diffusion ou de "pas japonais" (stepping stone) semblent généralement préférables), et le rôle de la "viscosité" des populations, en particulier en relation avec la sélection de parentèle et l'évolution de structures sociales. Le rôle important d'événements historiques sur les structures actuelles a été souligné, notamment dans le cadre de contacts secondaires entre populations hautement différenciées, leur introgression possible et la biogéographie de taxons vicariants. Parmi les problèmes récurrents notés: l'identification de l'unité panmictique, l'échelle de mesure spatiale appropriée, et les difficulté d'estimation des taux de migration et de flux de gènes. Plusieurs auteurs ont relevé la nécessité d'études biologiques de détail: les structures génétiques n'ont d'intérêt que dans la mesure où elles peuvent être situées dans un contexte écologique et évolutif précis. Ce point a été largement illustré dans le cadre des realtions entre structures génétiques et stratégies de reproduction/dispersion.

Interactions of Adeno-associated virus Rep78 protein with the host cell

Abstract : Adeno-associated virus (AAV) is a small DNA virus belonging to the familiy of Parvoviridae. Its genome contains two genes : the rep gene encoding four non structural proteins (Rep78, 68, 52 and 40) implicated in transcription, replication and site-specific integration of the viral DNA and the cap gene encoding three capsid proteins. AAV does not cause any disease, but is studied in view of its potential use to treat several diseases. An interesting property of AAV is its antiproliferative effect. Two elements of AAV can inhibit cell growth. Firstly, the single stranded viral DNA is recognized in cells as damaged DNA leading to either a G2 block or cell death depending on p53 status. Secondly, the two larger Rep proteins (Rep78 and 68) also arrest the cell cycle when they are expressed at high levels. Rep78 in particular induces a complete cell cycle arrest in all the phases, including S phase. Such a strong S phase arrest is rarely seen in other conditions. It was thus interesting to determine how Rep78 could induce it. We found that this strong block is the consequence of Rep78's effects on at least two pathways. Rep78 induces a DNA damage response by producing nicks in the cellular chromatin. Furthermore, Rep78 can bind to the cellular phosphatase Cdc25A and prevent its binding to its substrates CDK2 and CDK1, thus inhibiting its activity. A mutational analysis of Rep78 protein determined that its endonuclease activity is responsible for the DNA damage response and its zinc finger domain for Cdc25A inhibition. The combined expression of two mutants each defective for one of these activities, or these two activities obtained independently of Rep78, could restore the complete cell cycle block, indicating that these two effects of Rep78 are likely to explain completely the cell cycle block it induces. Secondly, the lack of pathogenicity of AAV, its broad range of infection and its ability to integrate site-specifically in human chromosome 19 make it an interesting potential vector for gene therapy. However site-specific integration is only possible in the presence of Rep78/68 whose gene is removed in recombinant AAV vectors. In this part of the study, we tried to introduce Rep protein separately from recombinant AAV vectors to promote their site-specific integration. For that purpose, a fusion protein, TAT-Rep, comprising Rep78/68 joined to the human immunodeficiency virus Tat protein was produced. It had the ability to enter cells and remain active there for a short period. Its activity was sufficient to mediate transcription from the p5 promoter, second-strand synthesis of a recombinant AAV and probably site-specific integration. Résumé : Le virus associé à l'adénovirus (AAV) est un petit virus à ADN qui fait partie de la famille des Parvoviridae. Son génome contient deux gènes : le gène rep code pour quatre protéines (Rep78, 68, 52 et 40) qui participent à la transcription, la réplication et l'intégration du virus et le gène cap code pour les trois protéines de capside. AAV ne produit pas de maladie, mais pourrait au contraire être utilisé pour en soigner. Sa bénignité, sa capacité à infecter différents types de cellules et son intégration spécifique en font un vecteur potentiel pour la thérapie génique. Pour qu'il puisse s'intégrer spécifiquement, il a besoin de la protéine Rep78 ou 68, mais ce gène doit être enlevé des vecteurs pour la thérapie génique. Le but de la première partie de cette étude était d'introduire Rep78 ou 68 dans des cellules en même temps qu'un AAV recombinant, mais indépendamment afin de permettre une intégration spécifique. La stratégie utilisée était de produire une protéine de fusion (TAT-Rep) qui peut entrer dans des cellules si elle est présente dans leur milieu. Cette protéine entrait bien dans les cellules et y était active favorisant ainsi l'intégration spécifique. Une deuxième propriété d'AAV, son effet anti-prolifératif, est intéressante dans le cadre de certaines maladies comme le cancer. Deux éléments d'AAV en sont responsables. D'abord, son ADN simple brin active une réponse cellulaire à l'ADN endommagé et arrête les cellules en G2 ou provoque leur mort. De plus, la protéine Rep78 d'AAV peut fortement bloquer le cycle cellulaire à toutes les phases, même en phase S, ce qui est rare. C'est pourquoi nous avons essayé de comprendre cet effet. Nous avons remarqué que Rep78 doit agir sur deux fronts pour obtenir ce fort bloc. D'un côté, Rep78 introduit des coupures simple brin sur l'ADN de la cellule ce qui active une réponse cellulaire à l'ADN endommagé qui passe par ATM. D'un autre côté, Rep78 lie une phosphatase cellulaire, Cdc25A, et l'empêche ainsi de lier ses substrats CDK2 et CDK1 et donc d'être active. Finalement, à l'aide de mutants de Rep78, nous avons déterminé que l'activité endonuclease de Rep78 était nécessaire pour induire une réponse cellulaire via ATM et que le domaine C-terminal appelé «zinc finger » était responsable de la liaison avec Cdc25A. En co-exprimant deux mutants, qui n'ont chacun qu'un des effets de Rep78, ou en obtenant les deux effets de Rep78 indépendamment d'elle, nous avons obtenu un bloc complet du cycle cellulaire similaire à celui obtenu avec Rep78. Il est donc probable que ces deux effets de Rep78 sont suffisants pour expliquer comment elle arrive à arrêter le cycle cellulaire si efficacement.

Study of the proteolytic activity of the paracaspase MALT1 in T cell activation

Summary : Several signalling cascades are initiated through the triggering of the T cell receptor (TCR) by an antigenic peptide expressed at the surface of an antigen presenting cell. These pathways lead to morphological changes controlling T cell adhesiveness and migration to the site of infection, and to the activation of transcription factors that regulate key genes for the proper development of the immune response. Amongst them, the nuclear factor xB (NF-κB) is the subject of intense research since more than twenty years because deregulated NF-κB signalling in lymphocytes can lead to immunodeficiency, autoimmunity or lymphomas. Therefore, the understanding of the molecular mechanisms regulating NF-κB activation is important for the development of new therapeutics aimed at treating various diseases. In T lymphocytes, a complex composed of CARMAI, BCL10 and MALT1 relays signals from TCR proximal events to NF-κB activation. Gene translocations of the BCL10 or MALTI genes or oncogenic mutations affecting CARNA 1 result in constitutive NF-κB activation and are related to the development of certain forms of lymphomas. MALT1 contains acaspase-like domain, but it is unknown whether this domain is proteolytically active. In this study, we found that MALT1 has arginine-directed proteolytic activity. We showed that the proteolytic activity of MALT 1 is key to TCR-induced NF-κB activation and production of interleukin 2. We identified BCL 10 as a MALT 1 substrate, and we showed that its cleavage regulates T cell adhesion to the extracellular matrix protein fibronectin. Furthermore, we identified caspase 10 as another substrate of MALT1. caspase 10 is a close homologue of caspase 8 and is known to be involved in the induction of apoptosis upon Fast or TRAIL stimulation. We showed that caspase 10 is important for TCR-induced NF-κB activation and interleukin 2 production, identifying for the first time a non apoptotic function for caspase 10. These data provide evidence for previously uncharacterized roles of MALT 1 and BCL 10 in the regulation of T cell adhesion and of caspase 10 in the activation of lymphocytes, and allow a better understanding of the molecular mechanisms of T lymphocyte activation. Since the proteolytic activity of MALT1 is essential to T cell activation, it suggests that the targeting of this activity may be relevant for the development of immunomodulatory or anticancer drugs. Résumé : De nombreuses voies de signalisation sont initiées via la stimulation des récepteurs des cellules T (TCR) par un peptide antigénique exprimé à la surface d'une cellule présentatrice d'antigènes. Ces cascades de signalisation produisent des changements morphologiques qui contrôlent l'adhésion des cellules T et leur migration vers le site d'infection. Elles contrôlent également l'activation de facteurs de transcription qui régulent la transcription de gènes importants pour la réponse immunitaire. Parmi ces derniers, le facteur nucléaire KB (NF-κB) joue un rôle essentiel, puisqu'une régulation aberrante de son activité dans les lymphocytes peut causer des immunodéficiences, des maladies autoimmunes ou des lymphomes. C'est pour cela que la compréhension des mécanismes moléculaires qui contrôlent l'activation de NF-κB est donc importante pour le développement de nouvelles thérapies. Un complexe contenant les protéines CAIZMAI, BCL10 et MALT1 transmet, dans les lymphocytes T, le signal du TCR vers l'activation de NF-κB. Des translocations des gènes qui codent pour BCL10 et MALTI et des mutations affectant la fonction de CARNAI ont été liées au développement de certaines formes de lymphomes. MALTI contient un domaine qui ressemble au domaine catalytique présent dans les caspases, mais il n'est pas connu si ce domaine a une activité protéolytique. Dans cette étude, nous avons découvert que MALTI est une protéase qui a une spécificité pour les acides aminés basiques comme l'arginine. Nous montrons que l'activité protéolytique de MALTI est importante pour l'activation de NF-κB et la production d'interleukine 2 après stimulation du TCR. Nous avons observé que BCL10 est clivé par MALTI pendant l'activation des lymphocytes T, et que ce clivage est impliqué dans la régulation de l'adhésion des lymphocytes T à la fibronectin, une protéine de la matrice extracellulaire. De plus, nous avons identifié que la caspase 10, qui a une grande homologie avec la caspase 8 et qui jusqu'à maintenant est connue pour son rôle dans l'induction de la mort cellulaire en réponse à une stimulation par Fast ou par TRAIL, est également un substrat de MALT 1. En montrant que la caspase 10 est nécessaire à l' activation de NF-icB et à la production de l'interleukine 2 après stimulation du TCR, nous décrivons pour la première fois une fonction non apoptotique de la caspase 10. Ces résultats décrivent de nouveaux rôles pour MALT1 et BCL10 dans le contrôle de l'adhésion des lymphocytes T et de la caspase 10 pour l'activation des lymphocytes T. Puisque l'activité protéolytique de MALT1 est essentielle pour l'activation des lymphocytes T, nous suggérons que cibler cette activité protéolytique de MALT 1 pourrait amener de nouvelles possibilités de traitement de maladies où une activation aberrante des lymphocytes est impliquée.

Sibling rivalry and vocal negotiation in the barn owl Tyto alba

Chez les animaux, les jeunes dépendant des parents durant leur développement sont en compétition pour obtenir la nourriture, qu'ils quémandent par des cris et postures ostentatoires et se disputent physiquement. Les frères et soeurs n'ont pas la même compétitivité, en particulier s'ils diffèrent en âge, et leur niveau de faim fluctue dans le temps. Comme dans tout type de compétition, chacun doit ajuster son investissement aux rivaux, c'est à dire aux besoins et comportements de ses frères et soeurs. Dans le contexte de la famille, selon la théorie de sélection de parentèle, les jeunes bénéficient de leur survie mutuelle et donc de la propagation de la part de gènes qu'ils ont en commun. L'hypothèse de la « négociation frères-soeurs » prédit que, sous certaines conditions, les jeunes négocient entre eux la nourriture, ce qui réduit les coûts de compétition et permet de favoriser les frères et soeurs les plus affamés. La littérature actuelle se focalise sur les signaux de quémande entre enfants et parents et les interactions compétitives frères-soeurs sont étudiées principalement au sein de paires, alors que les nichées ou portées en comprennent souvent de nombreux. Cette thèse vise à mieux comprendre comment et jusqu'à quel point plusieurs jeunes ajustent mutuellement leurs signaux de besoin. C'est une question importante, étant donné que cela influence la répartition de nourriture entre eux, donc la résolution du conflit qui les oppose et à terme leur valeur évolutive. Le modèle d'étude est la chouette effraie (Tyto alba), chez laquelle jusqu'à neufs poussins émettent des milliers de cris chacun par nuit. Ils négocieraient entre eux la prochaine proie indivisible rapportée au nid avant que les parents ne reviennent : un poussin affamé crie plus qu'un autre moins affamé, ce qui dissuade ce dernier de crier en retour et par la suite de quémander la nourriture aux parents. L'investissement optimal correspondrait donc à écarter son frère en permanence vu que l'arrivée des parents est imprévisible, mais à moindre coût. Dans un premier axe, nous avons exploré au sein de dyades les mécanismes acoustiques permettant aux poussins de doser leur effort vocal durant les heures de compétition où ils sont laissés seuls au nid. Nous avons trouvé que les poussins évitent de crier simultanément, ce qui optimiserait la discrimination du nombre et de la durée de leurs cris, lesquels reflètent de façon honnête leur niveau de faim et donc leur motivation. L'alternance des cris paraît particulièrement adaptée au fait que les poussins se fient à des variations temporelles subtiles dans le rythme et la durée de leurs vocalisations pour prendre la parole. En particulier, allonger ses cris tout en criant moins dissuade efficacement le rival de répondre, ce qui permet de monopoliser la parole dans de longs « monologues ». Ces règles seraient universelles puisqu'elles ne dépendent pas de la séniorité, de la faim, ni de la parenté et les poussins répondent à un playback de façon similaire à un vrai frère. Tous ces résultats apportent la première preuve expérimentale que les juvéniles communiquent de façon honnête sur leurs besoins, ajustent activement le rythme de leurs cris et utilisent des composantes multiples de leurs vocalisations d'une façon qui réduit le coût de la compétition. De plus, il s'agit de la première démonstration que des règles de conversation régissent de longs échanges vocaux chez les animaux de façon comparable aux règles basiques observées chez l'Homme. Dans un second axe, nous avons exploré les stratégies comportementales que les poussins adoptent pour rivaliser avec plusieurs frères et soeurs, par le biais d'expériences de playback. Nous avons trouvé que les poussins mémorisent des asymétries de compétitivité entre deux individus qui dialoguent et répondent plus agressivement au moins compétitif une fois qu'ils sont confrontés à chacun isolément. Dans la même ligne, quand ils entendent un nombre variable d'individus criant à un taux variable, les poussins investissent le plus contre des rivaux moins nombreux et moins motivés. En accord avec les prédictions des modèles théoriques, les poussins de chouette effraie escaladent donc les conflits pour lesquels leur chance de gagner contrebalance le plus l'énergie dépensée. Nous révélons ainsi que 1) les jeunes frères et soeurs 'espionnent' les interactions de leurs rivaux pour évaluer leur compétitivité relative, ce qui est sans doute moins coûteux qu'une confrontation directe avec chacun, et 2) dosent leur investissement vocal en fonction du nombre de rivaux actuellement en compétition et de leur motivation de façon concomitante. Ces résultats montrent que les interactions entre frères et soeurs au nid reposent sur des mécanismes similaires à ceux observés, mais encore de façon anecdotique, chez les adultes non apparentés qui se disputent les territoires et partenaires sexuels. Cette thèse souligne donc combien il est crucial de considérer dorénavant la famille comme un réseau de communication à part entière pour mieux comprendre comment les jeunes résolvent les conflits autour du partage des ressources parentales. Plus généralement, elle révèle l'importance de la dynamique temporelle des vocalisations dans les conflits et la communication des animaux. A la lumière de nos résultats, la chouette effraie apparaît comme un modèle clé pour de futures recherches sur la résolution des conflits et la communication acoustique. - In species with parental care, offspring contest priority access to food by begging through conspicuous postures and vocalisations and by physically jockeying. Siblings differ in their competitiveness, especially in the case of age and size hierarchies, and their hunger level fluctuates in time. As in competition in general, each individual should adjust its investment to opponents that is to say to its siblings' needs and behaviours. In the particular context of family, according to kin selection theory, siblings derive extra fitness benefits from their mutual survival and hence the spreading of the genes they share. The "sibling negotiation" predicts that, under certain conditions, young would negotiate among them priority access to food, which reduces competition costs and enables promoting the most hungry siblings. To date, the literature focuses on signals of need between parents and offspring and competitive interactions (in particular among siblings) are mostly studied within pairwise interactions, yet they commonly involve more numerous rivals. This PhD aims at better understanding how and the extent to which several young siblings compete through signalling. This is important since this influences how food is allocated among them, thus the outcome of sibling rivalry and ultimately their fitness. I use the barn owl (Tyto alba) as a model, in which the one to nine nestlings emit a simple noisy call thousands of times per night. Thereby, they would negotiate among them priority access to the indivisible food next delivered prior to parents' feeding visits. A hungry nestling emits more calls than a less hungry sibling, which deters it to call in return and ultimately beg food at parents. The optimal investment thus corresponds to constantly deterring the rival to compete, given that parents' arrival is unpredictable, but at the lowest costs. In the first axis of my thesis, we explored within dyads the acoustic mechanisms by which owlets dose vocal effort when competing during the hours they are left alone. We found that owlets avoid overlapping each other's calls. This would enhance the discrimination of both call number and duration, which honestly reflect individuals' hunger level and hence motivation to compete. Such antiphony seems best adapted to the fact that siblings actually use subtle temporal variations in the rhythm and duration of their calls to take or give their turn. Owlets alternate monologs, in which lengthening calls efficiently deters the rival to respond while reducing call number. Such rules depend neither on seniority, hunger level nor kinship since nestlings responded similarly to a live sibling and an unrelated playback individual. Taken together, these findings provide the first experimental proof that dependent young honestly communicate about their need, actively adjust the timing of their calls and use multicomponent signals in a way that reduces vocal costs. Moreover, this is the first demonstration of conversational rules underlying animal long-lasting vocal exchanges comparable to the basic turn-taking signals observed in humans. In the second axis, we focused on the behavioural strategies owlets adopt to compete with more than one sibling, using playback experiments. We found that singleton bystanders memorised competitive asymmetries between two playback individuals dialoguing and responded more aggressively to the submissive one once they later faced each of both alone. Moreover, when hearing a varying number of nestlings calling at varying rates, owlets vocally invested the most towards fewer and less motivated rivals. In line with predictions from models on conflict settlement, barn owls thus escalate contests in which their chance of winning best counterbalances the energy spent. These results reveal that young socially eavesdrop on their siblings' interactions to assess their relative competitiveness at likely lower costs than direct confrontation, and dose vocal effort relative to both their number and motivation. This shows that young siblings' interactions imply mechanisms similar to those observed, yet still anecdotally, in unrelated adults that contest mates and territories. This PhD therefore highlights how crucial it is to further consider family as a communication network to better understand how siblings resolve conflicts over the share of parental resources. More generally, it provides important insights into the role of the temporal dynamics of signalling during animal contests and communication. In the light of our findings, the barn owl emerges as a key model for future research on conflict resolution and acoustic communication in animals.

The adaptative function of melanin-based colour variants

Résumé : Les mécanismes de contrôle des couleurs mélaniques chez les vertébrés sont encore discutés parmi les biologistes de l'évolution. Une hypothèse récente affirme que les effets pléiotropies du système des mélanocortines expliquent l'association fréquente entre la coloration eumélanique noire (due à la déposition d'eumélanine) et de nombreux traits physiologiques et comportementaux. De nombreuses études suggèrent, en effet, que des niveaux plus élevés des mélanocortines induisent l'assombrissement des téguments eumélaniques et affectent d'autres traits phénotypiques simultanément. Cependant, il n'est pas encore établi si ce mécanisme de pléiotropie peut s'appliquer aux colorations dues à la déposition de phaeomélanine, une autre forme commune de mélanine. Les antagonistes des mélanocortines déclenchent le phaeomélanogenèse et bloquent l'effet des mélanocortines ou ont un effet pharmacologique opposé. Nous nous proposons donc d'évaluer l'hypothèse que les effets pléiotropes des antagonistes des mélanocortines génèrent des covariations entre la coloration phaeomélanique et des aspects de la qualité individuelle. Comme prédit par cette hypothèse, nous constatons chez la chouette effraie (Tyto alba) que les traits phénotypiques (résistance au stress oxydatif et aux parasites) corrèlent positivement au degré d'expression d'une couleur eumélanique mais négativement au degré d'expression d'une coloration phaeomélanique. Puis, nous montrons chez la chouette hulotte (Strix aluco) que les associations génétiques entre la coloration phaeomélanique et la physiologie (immunité et la régulation de l'homéostasie) confèrent des avantages aux individus de différentes couleurs dans différents environnements caractérisés par l'abondance de nourriture et le niveau d'exposition aux parasites. Ainsi, nos études soutiennent l'hypothèse que les effets pléiotropes des antagonistes des mélanocortines génèrent des covariations entre les traits mélaniques et divers aspects de la qualité individuelle. Finalement, nous montrons chez le faucon crécerelle (Falco Tinnunculus) que l'expression des ornements mélaniques est sensible à la qualité de l'environnement dans lequel les individus grandissent. Ceci suggère que les gènes codant pour les mélanocortines et leurs antagonistes pourraient induire une expression des traits mélaniques dépendante de la condition de l'individu, un pattern d'expression rarement observé pour des traits généralement sous fort contrôle génétique. Summary : The information content and control mechanisms of melanin-based colour signals in vertebrates are still debated among evolutionary biologists. A recent hypothesis contends that pleiotropic effects of the melanocortin system accounts for the frequent association between black eumelanic coloration and physiological and behavioural traits. Accordingly, empirical evidence suggests that higher levels of melanocortins concurrently promote darker eumelanic integuments and affect other phenotypic traits. However, whether this mechanism may apply to signals relying on phaeomelanin, another common form of melanin pigments, remains to be established. Melanocortin antagonists trigger phaeomelanogenesis and block the effect of melanocortins or result in the opposite pharmacological effect. Therefore, we tested the hypothesis that pleiotropic effects of melanocortin antagonists and inverse agonists account for covariations between phaeomelanin-based coloration and aspects of individual quality. As predicted, we found that phenotypic traits (resistance to oxidative stress and parasites) correlated positively with a eumelanic trait and negatively with a phaeomelanic trait in the barn owl (Tyto alba). Then, we showed in the tawny owl (Strix aluco) that genetic associations between phaeomelanin-based coloration and physiology (immunity and regulation of energy homeostasis) confer benefits to differently coloured individuals under different levels of food abundance and parasite exposure. Altogether, our studies support the hypothesis that pleiotropic effects of melanocortins antagonists can indeed account for covariations between phaeomelanin-based traits and aspects of individual quality. Eventually, we show in the Eurasian kestrel (Falco Tinnunculus) that expression of melanin-based ornaments is sensitive to the environment in which individuals grow. This suggests that genes coding for melanocortins and their antagonists can mediate the condition-dependent component of melanin-based traits.