Activation of a dendritic cell-T cell axis by Ad5 immune complexes creates an improved environment for replication of HIV in T cells.

The STEP HIV vaccine trial, which evaluated a replication-defective adenovirus type 5 (Ad5) vector vaccine, was recently stopped. The reasons for this included lack of efficacy of the vaccine and a twofold increase in the incidence of HIV acquisition among vaccinated recipients with increased Ad5-neutralizing antibody titers compared with placebo recipients. To model the events that might be occurring in vivo, the effect on dendritic cells (DCs) of Ad5 vector alone or treated with neutralizing antiserum (Ad5 immune complexes [IC]) was compared. Ad5 IC induced more notable DC maturation, as indicated by increased CD86 expression, decreased endocytosis, and production of tumor necrosis factor and type I interferons. We found that DC stimulation by Ad5 IC was mediated by the Fcgamma receptor IIa and Toll-like receptor 9 interactions. DCs treated with Ad5 IC also induced significantly higher stimulation of Ad5-specific CD8 T cells equipped with cytolytic machinery. In contrast to Ad5 vectors alone, Ad5 IC caused significantly enhanced HIV infection in DC-T cell cocultures. The present results indicate that Ad5 IC activates a DC-T cell axis that, together with the possible persistence of the Ad5 vaccine in seropositive individuals, may set up a permissive environment for HIV-1 infection, which could account for the increased acquisition of HIV-1 infection among Ad5 seropositive vaccine recipients.

The GTPase Rab37 Participates in the Control of Insulin Exocytosis.

Rab37 belongs to a subclass of Rab GTPases regulating exocytosis, including also Rab3a and Rab27a. Proteomic studies indicate that Rab37 is associated with insulin-containing large dense core granules of pancreatic β-cells. In agreement with these observations, we detected Rab37 in extracts of β-cell lines and human pancreatic islets and confirmed by confocal microscopy the localization of the GTPase on insulin-containing secretory granules. We found that, as is the case for Rab3a and Rab27a, reduction of Rab37 levels by RNA interference leads to impairment in glucose-induced insulin secretion and to a decrease in the number of granules in close apposition to the plasma membrane. Pull-down experiments revealed that, despite similar functional effects, Rab37 does not interact with known Rab3a or Rab27a effectors and is likely to operate through a different mechanism. Exposure of insulin-secreting cells to proinflammatory cytokines, fatty acids or oxidized low-density lipoproteins, mimicking physiopathological conditions that favor the development of diabetes, resulted in a decrease in Rab37 expression. Our data identify Rab37 as an additional component of the machinery governing exocytosis of β-cells and suggest that impaired expression of this GTPase may contribute to defective insulin release in pre-diabetic and diabetic conditions.

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Non-coding small RNAs (sRNAs) have important regulatory functions in bacteria. In Pseudomonas spp., about 40 sRNAs have been reported until the end of 2008, a number that almost certainly is an underestimate. We provide a summary of the coding regions for these sRNAs is Pseudomonas aeruginosa. The functions of some Pseudomonas sRNAs can be deduced from those of homologous well-characterized sRNAs of Escherichia coli, e.g. 6S RNA (a stationary phase regulator of RNA polymerase) and tmRNA (a component of a machinery serving to eliminate truncated polypeptides). Two sRNAs of P. aeruginosa, PrrF1 and PrrF2, whose expression is repressed by the Fur repressor in the presence of iron, inhibit translation initiation of mRNAs specifying superoxide dismutase (sodB), succinate dehydrogenase (sdhABCD) and anthranilate degradation (antABC), via a base-paring mechanism. As a consequence, these mRNAs are poorly expressed under conditions of iron limitation. Two further sRNAs of P. aeruginosa, RsmY and RsmZ, whose expression is positively controlled by the GacS/GacA two-component system in response to unknown signals, act as scavengers of the RNA-binding protein RsmA. In this way, translational repression exerted by RsmA on target mRNAs can be relieved. The Gac/Rsm signal transduction pathway globally regulates motility and the formation of extracellular products in pseudomonas spp.

Ubiquitin- and ubiquitin-like proteins-conjugating enzymes (E2s) in breast cancer.

Breast cancer is the most common malignancy in women and a significant cause of morbidity and mortality. Sub-types of breast cancer defined by the expression of steroid hormones and Her2/Neu oncogene have distinct prognosis and undergo different therapies. Besides differing in their phenotype, sub-types of breast cancer display various molecular lesions that participate in their pathogenesis. BRCA1 is one of the common hereditary cancer predisposition genes and encodes for an ubiquitin ligase. Ubiquitin ligases or E3 enzymes participate together with ubiquitin activating enzyme and ubiquitin conjugating enzymes in the attachment of ubiquitin (ubiquitination) in target proteins. Ubiquitination is a post-translational modification regulating multiple cell functions. It also plays important roles in carcinogenesis in general and in breast carcinogenesis in particular. Ubiquitin conjugating enzymes are a central component of the ubiquitination machinery and are often perturbed in breast cancer. This paper will discuss ubiquitin and ubiquitin-like proteins conjugating enzymes participating in breast cancer pathogenesis, their relationships with other proteins of the ubiquitination machinery and their role in phenotype of breast cancer sub-types.

Programmed Cell Death in Procyclic Form Trypanosoma brucei rhodesiense - Identification of Differentially Expressed Genes during Con A Induced Death

Trypanosoma brucei rhodesiense can be induced to undergo apoptosis after stimulation with Con A. As cell death in these parasites is associated with de novo gene expression we have applied a differential display technique, Randomly Amplified Differential Expressed Sequence-Polymerase Chain Reaction (RADES-PCR) to the study of gene expression during Con A induced cell death in these organisms. Twenty-two differentially displayed products have been cloned and sequenced. These represent the first endogenous genes to be identified as implicated in cellular death in trypanosomatids (the most primitive eukaryote in which apoptosis has been described). Evidence for an ancestral death machinery, `proto-apoptosis' in single celled organisms is discussed.

Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

A quorum sensing small volatile molecule promotes antibiotic tolerance in bacteria.

Bacteria can be refractory to antibiotics due to a sub-population of dormant cells, called persisters that are highly tolerant to antibiotic exposure. The low frequency and transience of the antibiotic tolerant "persister" trait has complicated elucidation of the mechanism that controls antibiotic tolerance. In this study, we show that 2' Amino-acetophenone (2-AA), a poorly studied but diagnostically important small, volatile molecule produced by the recalcitrant gram-negative human pathogen Pseudomonas aeruginosa, promotes antibiotic tolerance in response to quorum-sensing (QS) signaling. Our results show that 2-AA mediated persister cell accumulation occurs via alteration of the expression of genes involved in the translational capacity of the cell, including almost all ribosomal protein genes and other translation-related factors. That 2-AA promotes persisters formation also in other emerging multi-drug resistant pathogens, including the non 2-AA producer Acinetobacter baumannii implies that 2-AA may play an important role in the ability of gram-negative bacteria to tolerate antibiotic treatments in polymicrobial infections. Given that the synthesis, excretion and uptake of QS small molecules is a common hallmark of prokaryotes, together with the fact that the translational machinery is highly conserved, we posit that modulation of the translational capacity of the cell via QS molecules, may be a general, widely distributed mechanism that promotes antibiotic tolerance among prokaryotes.

La millor comprensió del desenvolupament cardíac i el dany cel•lular en els miòcits ajudarà a definir dianes terapèutiques

En el cor embrional, la senyalització de mort cel•lular apoptòtica iniciada per receptors de mort i les caspases executores 3 i 7 exerceixen un paper important durant el desenvolupament cardíac no relacionat amb la mort cel•lular, i posteriorment són silenciats en l’adult, on les vies independents de caspases estan implicades en la mort cel•lular patològica. Resultats previs del nostre grup han contribuït a entendre com es regula i silencia en el cor l’expressió dels gens de la via apoptòtica depenent de caspases durant el desenvolupament; a més, resultats no publicats demostren que les caspases regulen el procés d’expressió de gens en el cor i, contràriament a la maquinària depenent de caspases, TatD, una nucleasa, ’expressa abundantment al cor postnatal. Es desconeixen les funcions de la senyalització apoptòtica durant el desenvolupament cardíac, tot i que són essencials per al desenvolupament, a més, la senyalització independent de caspases implicada al dany cel•lular en els miòcits només es coneix parcialment, el nostre objectiu és contribuir al coneixement d’ambdós fenòmens. Creiem que les caspases podrien processar proteïnes reguladores de l’expressió de gens musculars alterant la seva activitat, mentre que TatD té un paper rellevant en el dany cel•lular però també en la funció cardíaca normal. Volem caracteritzar la contribució de les caspases 3 i 7 en el desenvolupament cardíac, utilitzant models in vivo (estem finalitzant els creuaments necessaris per a disposar dels animals amb el genotip desitjat) i in vitro (pràcticament hem preparat tot el material i hem optimitzat els protocols per a tirar-ho endavant). També volem caracteritzar la funció de TatD durant el desenvolupament i fisiologia del cor i conèixer-ne la seva funció utilitzant models in vitro i in vivo.

Melanopsin as a sleep modulator: circadian gating of the direct effects of light on sleep and altered sleep homeostasis in Opn4(-/-) mice.

Light influences sleep and alertness either indirectly through a well-characterized circadian pathway or directly through yet poorly understood mechanisms. Melanopsin (Opn4) is a retinal photopigment crucial for conveying nonvisual light information to the brain. Through extensive characterization of sleep and the electrocorticogram (ECoG) in melanopsin-deficient (Opn4(-/-)) mice under various light-dark (LD) schedules, we assessed the role of melanopsin in mediating the effects of light on sleep and ECoG activity. In control mice, a light pulse given during the habitual dark period readily induced sleep, whereas a dark pulse given during the habitual light period induced waking with pronounced theta (7-10 Hz) and gamma (40-70 Hz) activity, the ECoG correlates of alertness. In contrast, light failed to induce sleep in Opn4(-/-) mice, and the dark-pulse-induced increase in theta and gamma activity was delayed. A 24-h recording under a LD 1-hratio1-h schedule revealed that the failure to respond to light in Opn4(-/-) mice was restricted to the subjective dark period. Light induced c-Fos immunoreactivity in the suprachiasmatic nuclei (SCN) and in sleep-active ventrolateral preoptic (VLPO) neurons was importantly reduced in Opn4(-/-) mice, implicating both sleep-regulatory structures in the melanopsin-mediated effects of light. In addition to these acute light effects, Opn4(-/-) mice slept 1 h less during the 12-h light period of a LD 12ratio12 schedule owing to a lengthening of waking bouts. Despite this reduction in sleep time, ECoG delta power, a marker of sleep need, was decreased in Opn4(-/-) mice for most of the (subjective) dark period. Delta power reached after a 6-h sleep deprivation was similarly reduced in Opn4(-/-) mice. In mice, melanopsin's contribution to the direct effects of light on sleep is limited to the dark or active period, suggesting that at this circadian phase, melanopsin compensates for circadian variations in the photo sensitivity of other light-encoding pathways such as rod and cones. Our study, furthermore, demonstrates that lack of melanopsin alters sleep homeostasis. These findings call for a reevaluation of the role of light on mammalian physiology and behavior.

24 Hours in the Life of HIV-1 in a T Cell Line.

HIV-1 infects CD4+ T cells and completes its replication cycle in approximately 24 hours. We employed repeated measurements in a standardized cell system and rigorous mathematical modeling to characterize the emergence of the viral replication intermediates and their impact on the cellular transcriptional response with high temporal resolution. We observed 7,991 (73%) of the 10,958 expressed genes to be modulated in concordance with key steps of viral replication. Fifty-two percent of the overall variability in the host transcriptome was explained by linear regression on the viral life cycle. This profound perturbation of cellular physiology was investigated in the light of several regulatory mechanisms, including transcription factors, miRNAs, host-pathogen interaction, and proviral integration. Key features were validated in primary CD4+ T cells, and with viral constructs using alternative entry strategies. We propose a model of early massive cellular shutdown and progressive upregulation of the cellular machinery to complete the viral life cycle.

Sleep loss reduces the DNA-binding of BMAL1, CLOCK, and NPAS2 to specific clock genes in the mouse cerebral cortex.

We have previously demonstrated that clock genes contribute to the homeostatic aspect of sleep regulation. Indeed, mutations in some clock genes modify the markers of sleep homeostasis and an increase in homeostatic sleep drive alters clock gene expression in the forebrain. Here, we investigate a possible mechanism by which sleep deprivation (SD) could alter clock gene expression by quantifying DNA-binding of the core-clock transcription factors CLOCK, NPAS2, and BMAL1 to the cis-regulatory sequences of target clock genes in mice. Using chromatin immunoprecipitation (ChIP), we first showed that, as reported for the liver, DNA-binding of CLOCK and BMAL1 to target clock genes changes in function of time-of-day in the cerebral cortex. Tissue extracts were collected at ZT0 (light onset), -6, -12, and -18, and DNA enrichment of E-box or E'-box containing sequences was measured by qPCR. CLOCK and BMAL1 binding to Cry1, Dbp, Per1, and Per2 depended on time-of-day, with maximum values reached at around ZT6. We then observed that SD, performed between ZT0 and -6, significantly decreased DNA-binding of CLOCK and BMAL1 to Dbp, consistent with the observed decrease in Dbp mRNA levels after SD. The DNA-binding of NPAS2 and BMAL1 to Per2 was also decreased by SD, although SD is known to increase Per2 expression in the cortex. DNA-binding to Per1 and Cry1 was not affected by SD. Our results show that the sleep-wake history can affect the clock molecular machinery directly at the level of chromatin binding thereby altering the cortical expression of Dbp and Per2 and likely other targets. Although the precise dynamics of the relationship between DNA-binding and mRNA expression, especially for Per2, remains elusive, the results also suggest that part of the reported circadian changes in DNA-binding of core clock components in tissues peripheral to the suprachiasmatic nuclei could, in fact, be sleep-wake driven.

Analysis of expressed sequence tags from Trypanosoma cruzi amastigotes

A total of 880 expressed sequence tags (EST) originated from clones randomly selected from a Trypanosoma cruzi amastigote cDNA library have been analyzed. Of these, 40% (355 ESTs) have been identified by similarity to sequences in public databases and classified according to functional categorization of their putative products. About 11% of the mRNAs expressed in amastigotes are related to the translational machinery, and a large number of them (9% of the total number of clones in the library) encode ribosomal proteins. A comparative analysis with a previous study, where clones from the same library were selected using sera from patients with Chagas disease, revealed that ribosomal proteins also represent the largest class of antigen coding genes expressed in amastigotes (54% of all immunoselected clones). However, although more than thirty classes of ribosomal proteins were identified by EST analysis, the results of the immunoscreening indicated that only a particular subset of them contains major antigenic determinants recognized by antibodies from Chagas disease patients.

Characterization of root apoplastic barriers in Arabidopsis thaliana

In vascular plants, the best-known feature of a differentiated endodermal cell is the "Casparian Strip" (CS). This structure refers to a highly localized cell wall impregnation in the transversal and anticlinal walls of the cell, which surrounds the cell like a belt/ring and is tightly coordinated with respect to neighboring cells. Analogous to tight junctions in animal epithelia, CS in plants act as a diffusion barrier that controls the movement of water and ions from soil into the stele. Since its first description by Robert Caspary in 1865 there have been many attempts to identify the chemical nature of the cell wall deposition in CS. Suberin, lignin, or both have been claimed to be the important components of CS in a series of different species. However, the exact chemical composition of CS has remained enigmatic. This controversy was due to the confusion and lack of knowledge regarding the precise measurement of three developmental stages of the endodermis. The CS represent only the primary stage of endodermal differentiation, which is followed by the deposition of suberin lamellae all around the cellular surface of endodermal cells (secondary developmental stage). Therefore, chemical analysis of whole roots, or even of isolated endodermal tissues, will always find both of the polymers present. It was crucial to clarify this point because this will guide our efforts to understand which cell wall biosynthetic component becomes localized in order to form the CS. The main aim of my work was to find out the major components of (early) CS, as well as their spatial and temporal development, physiological roles and relationship to barrier formation. Employing the knowledge and tools that have been accumulated over the last few years in the model plant Arabidopsis thaliana, various histological and chemical assays were used in this study. A particular feature of my work was to completely degrade, or inhibit formation of lignin and suberin biopolymers by biochemical, classical genetic and molecular approaches and to investigate its effect on CS formation and the establishment of a functional diffusion barrier. Strikingly, interference with monolignol biosynthesis abrogates CS formation and delays the formation of function diffusion barrier. In contrast, transgenic plants devoid of any detectable suberin still develop a functional CS. The combination of all these assays clearly demonstrates that the early CS polymer is made from monolignol (lignin monomers) and is composed of lignin. By contrast, suberin is formed much later as a secondary wall during development of endodermis. These early CS are functionally sufficient to block extracellular diffusion and suberin does not play important role in the establishment of early endodermal diffusion barrier. Moreover, suberin biosynthetic machinery is not present at the time of CS formation. Our study finally concludes the long-standing debate about the chemical nature of CS and opens the door to a new approach in lignin research, specifically for the identification of the components of the CS biosynthetic pathway that mediates the localized deposition of cell walls. I also made some efforts to understand the patterning and differentiation of endodermal passage cells in young roots. In the literature, passage cells are defined as a non- suberized xylem pole associated endodermal cells. Since these cells only contain the CS but not the suberin lamellae, it has been assumed that these cells may offer a continued low-resistance pathway for water and minerals into the stele. Thus far, no genes have been found to be expressed specifically in passage cells. In order to understand the patterning, differentiation, and physiological role of passage it would be crucial to identify some genes that are exclusively expressed in these cells. In order to identify such genes, I first generated fluorescent marker lines of stele-expressed transporters that have been reported to be expressed in the passage cells. My aim was to first highlight the passage cells in a non-specific way. In order to find passage cell specific genes I then adapted a two-component system based on previously published methods for gene expression profiling of individual cell types. This approach will allow us to target only the passage cells and then to study gene expression specifically in this cell type. Taken together, this preparatory work will provide an entry point to understand the formation and role of endodermal passage cells. - Chez les plantes vasculaires, la caractéristique la plus commune des cellules différentiées de l'endoderme est la présence de cadres de Caspary. Cette structure correspond à une imprégnation localisée des parties transversales et anticlinales de la paroi cellulaire. Cela donne naissance, autour de la cellule, à un anneau/cadre qui est coordonné par rapport aux cellules voisines. De manière analogue aux jonctions serrées des épithéliums chez les animaux, les cadres de Caspary agissent chez les plantes comme barrière de diffusion, contrôlant le mouvement de l'eau et des ions à travers la racine entre le sol et la stèle. Depuis leur première description par Robert Caspary en 1865, beaucoup de tentatives ont eu pour but de définir la nature chimique de ces cadres de Caspary. Après l'étude de différentes espèces végétales, à la fois la subérine, la lignine ou les deux ont été revendiquées comme étant des composants importants de ces cadres. Malgré tout, leur nature chimique exacte est restée longtemps énigmatique. Cette controverse provient de la confusion et du manque de connaissance concernant la détermination précise des trois stades de développement de l'endoderme. Les cadres de Caspary représentent uniquement le stade primaire de différentiation de l'endoderme. Celui-ci est suivi par le second stade de différentiation, la déposition de lamelles de subérine tout autour de la cellule endodermal. De ce fait, l'analyse chimique de racines entières ou de cellules d'endoderme isolées ne permet pas de séparer les stades de différentiation primaire et secondaire et aboutit donc à la présence des deux polymères. Il est également crucial de clarifier ce point dans le but de connaître quelle machinerie cellulaire localisée à la paroi cellulaire permet l'élaboration des cadres de Caspary. En utilisant les connaissances et les outils accumulés récemment grâce à la plante modèle Arabidopsis thaliana, divers techniques histologiques et chimiques ont été utilisées dans cette étude. Un point particulier de mon travail a été de dégrader ou d'inhiber complètement la formation de lignine ou de subérine en utilisant des approches de génétique classique ou moléculaire. Le but étant d'observer l'effet de l'absence d'un de ces deux polymères sur la formation des cadres de Caspary et l'établissement d'une barrière de diffusion fonctionnelle. De manière frappante, le fait d'interférer avec la voie de biosynthèse de monolignol (monomères de lignine) abolit la formation des cadres de Caspary et retarde l'élaboration d'une barrière de diffusion fonctionnelle. Par contre, des plantes transgéniques dépourvues d'une quantité détectable de subérine sont quant à elles toujours capables de développer des cadres de Caspary fonctionnels. Mises en commun, ces expériences démontrent que le polymère formant les cadres de Caspary dans la partie jeune de la racine est fait de monolignol, et que de ce fait il s'agit de lignine. La subérine, quant à elle, est formée bien plus tard durant le développement de l'endoderme, de plus il s'agit d'une modification de la paroi secondaire. Ces cadres de Caspary précoces faits de lignine suffisent donc à bloquer la diffusion extracellulaire, contrairement à la subérine. De plus, la machinerie de biosynthèse de la subérine n'est pas encore présente au moment de la formation des cadres de Caspary. Notre étude permet donc de mettre un terme au long débat concernant la nature chimique des cadres de Caspary. De plus, elle ouvre la porte à de nouvelles approches dans la recherche sur la lignine, plus particulièrement pour identifier des composants permettant la déposition localisée de ce polymère dans la paroi cellulaire. J'ai aussi fais des efforts pour mettre en évidence la formation ainsi que le rôle des cellules de passage dans les jeunes racines. Dans la littérature, les cellules de passage sont définies comme de la cellule endodermal faisant face aux pôles xylèmes et dont la paroi n'est pas subérisée. Du fait que ces cellules contiennent uniquement des cadres de Caspary et pas de lamelle de subérine, il a été supposé qu'elles ne devraient offrir que peu de résistance au passage de l'eau et des nutriments entre le sol et la stèle. Le rôle de ces cellules de passage est toujours loin d'être clair, de plus aucun gène s'exprimant spécifiquement dans ces cellules n'a été découvert à ce jour. De manière à identifier de tels gènes, j'ai tout d'abord généré des marqueurs fluorescents pour des transporteurs exprimés dans la stèle mais dont l'expression avait également été signalée dans l'endoderme, uniquement dans les cellules de passage. J'ai ensuite développé un système à deux composants basé sur des méthodes déjà publiées, visant principalement à étudier le profil d'expression génique dans un type cellulaire donné. En recoupant les gènes exprimés spécifiquement dans l'endoderme à ceux exprimés dans la stèle et les cellules de passage, il nous sera possible d'identifier le transriptome spécifique de ces cellules. Pris dans leur ensemble, ces résultats devraient donner un bon point d'entrée dans la définition et la compréhension des cellules de passage.

MOLECULAR REORGANIZATION FOLLOWING SENSORY STIMULATION IN THE ADULT MOUSE BARREL CORTEX

Sensory information is an important factor in shaping neuronal circuits during development and adulthood. In the barrel cortex of adult rodents, cells from layer IV are able to adapt their functional state to an increased flow of sensory information from the mystacial whisker follicles. Previous studies in our group have shown that whisker stimulation induces the formation of inhibitory synapses in the corresponding barrel (Knott et al., 2002) and decreases neuronal responses toward the deflection of the stimulated whisker (Quairiaux et al., 2007). Together these observations have turned the barrel cortex into a model to study homeostatic plasticity. At the cellular level, neuronal activity triggers intracellular signaling cascades leading to a transcriptional response. To further characterize the molecular pathways involved in the synaptic changes after whisker stimulation in the adult mouse, a previous doctoral student in our group performed a microarray analysis on laser-dissected barrels in sections through layer IV. This study identified the regulation (up and down) of a series of genes in the stimulated barrels (thesis of Johnston-Wenger, 2010). We here focused on ten genes that presented the highest fold change according to the microarray analysis. Out of these genes, 7 are known as neuronal activity-dependent genes (Tnncl, Nptx2, Sorcs3, Ptgs2, Nr4a2, Npas4 and Adcyapl) whereas three have so far not been related to neuronal plasticity (Scn7a, Pcdhl5 and Cede3). The study aimed at confirming the results of the microarray analysis and localizing molecular modifications in the stimulated barrel column at the cellular level. In situ hybridization for Pcdhl5 after different periods of whisker stimulation (3, 6, 9, 15, 24 hrs) allowed us to confirm that the 1.25 fold change used for the microarray analysis is an appropriate threshold for considering a regulation significant after sensory-stimulation. Moreover, we confirmed with in situ hybridization a significant upregulation of the genes of interest in the stimulated barrels. In situ hybridization and immunohistochemistry allowed us to observe the distribution of the genes of interest and the corresponding protein products at the cellular level. Three observations were made: 1) alterations of the expression was restricted to the stimulated barrels for all genes tested; 2) within a barrel column not all cells responded to whisker stimulation with an altered gene expression; 3) in the stimulated barrels, two different patterns of mRNA and protein expression can be distinguished. We hypothesize that this segregation of the activity-induced gene expression reflects the segregation of the two principal thalamocortical pathways conveying the sensory information to the barrel cortex. Moreover, only neurons reaching the critical threshold will modify their gene expression program resulting in structural as well as physiological modifications that prevent the subsequent propagation of the excess of excitation to the postsynaptic targets. The activity-induced gene expression is therefore adapted in a cell-type-specific manner to induce a homeostatic response to the entire neuronal network involved in the integration of the sensory information. This to our knowledge the first study showing the distinct, but complementary contribution of the two thalamocortical pathways in experience-dependent plasticity in the adult mouse barrel cortex. -- L'information sensorielle nous permet de continuellement façonner nos circuits neuronaux autant durant le développement qu'à l'âge adulte. Chez le rongeur l'information sensorielle perçue par les vibrisses est intégrée au niveau du cortex somatosensoriel primaire (appelé en anglais « barrel cortex ») dont les cellules de la couche IV sont capables d'adapter leur état fonctionnel en réponse à une augmentation d'activité neuronale. Ce modèle expérimental a permis à notre groupe de recherche d'observer des changements rapides du circuit neuronal en fonction de l'activité sensorielle. En effet, la stimulation continue d'une vibrisse d'une souris adulte pendant 24 heures induit non seulement un remaniement synaptique (Knott et al., 2002), mais également des changements physiologiques au niveau des neurones du tonneau correspondant (Quairiaux et al., 2007). Ces observations nous permettent d'affirmer que le « barrel cortex » est un modèle approprié pour y étudier la plasticité synaptique. Au niveau cellulaire, l'activité neuronale déclenche des cascades de signalisation intracellulaire résultant en une réponse transcriptionnelle. Afin de caractériser les voies moléculaires impliquées dans la plasticité synaptique, une puce à ARN nous a permis de comparer l'expression de gènes entre un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée et un tonneau d'une vibrisse non-stimulée (Nathalie). Cette analyse a révélé un certain nombre de gènes régulés de manière positive ou négative par l'augmentation de l'activité neuronale. Nous nous sommes concentrés sur 10 gènes dont l'expression est fortement régulée. L'expression de sept d'entre eux a déjà été démontrée comme dépendante de l'activité neuronale (Tnncl, Nptx2, Sorcs3, Ptgs2, Nr4a2, Npas4 otAdcyapl) alors que l'expression des trois autres (Scn7a, Pcdhl5 et Cedei) n'a pour le moment pas encore été liée à la plasticité neuronale. Le but de cette thèse est de confirmer les résultats de la puce à ARN et de déterminer dans quel type cellulaire ces gènes sont exprimés. L'hybridation in situ pour le gène Pcdhl5, après différentes périodes de stimulation des vibrisses (3, 6, 9, 15 et 24 heures), nous a permis de confirmer que le seuil de 1.25x utilisé dans l'analyse de la puce à ARN est approprié pour considérer qu'un gène est régulé de manière significative par la stimulation sensorielle. Nous avons également pu confirmer à l'aide de cette technique que la stimulation sensorielle augmente significativement l'expression de ces dix gènes. L'expression de ces gènes au niveau cellulaire a été observée à l'aide des techniques d'hybridation in situ et d'immunohistochimie. Trois observations ont été faites : 1) la régulation de ces gènes est restreinte aux tonneaux correspondants aux vibrisses stimulées ; 2) au niveau d'une colonne corticale correspondant aux vibrisses stimulées, seules certaines cellules présentent une altération de leur expression génique ; 3) au niveau des tonneaux stimulés, deux profils d'expression d'ARNm et de protéines sont observés. Notre hypothèse est que cette distribution pourrait correspondre à la terminaison ségrégée des deux voies thalamocortical qui amènent l'information sensorielle dans le cortex cérébral. De plus, seul les neurones atteignant le seuil critique d'activation modifient leur expression génique en réponse à la stimulation sensorielle. Ces changements d'expression géniques vont permettre à la cellule de modifier ses propriétés structurales et physiologiques de manière a prevenir la propagation d'un excès d'activité neuronale au niveau de ses cibles postsynaptics. L'activité neuronale agit donc spécifiquement sur certains types cellulaires de maniere a induire une réponse homéostatique au niveau du réseau neuronal impliqué dans l'integration de l'information sensorielle. Nos travaux démontrent pour une première fois que les deux voies sensorielles contribuent d'une manière distincte et complémentaire à la plasticité corticale induite par un changement de l'activité sensorielle chez la souris adulte.

Hitchhiking Trypanosoma cruzi minicircle DNA affects gene expression in human host cells via LINE-1 retrotransposon

The horizontal transfer of Trypanosoma cruzi mitochondrial minicircle DNA to the genomes of naturally infected humans may play an important role in the pathogenesis of Chagas disease. Minicircle integrations within LINE-1 elements create the potential for foreign DNA mobility within the host genome via the machinery associated with this retrotransposon. Here we document integration of minicircle DNA fragments in clonal human macrophage cell lines and their mobilization over time. The movement of an integration event in a clonal transfected cell line was tracked at three months and three years post-infection. The minicircle sequence integrated into a LINE-1 retrotransposon; one such foreign fragment subsequently relocated to another genomic location in association with associated LINE-1 elements. The p15 locus was altered at three years as a direct effect of minicircle/LINE-1 acquisition, resulting in elimination of p15 mRNA. Here we show for the first time a molecular pathology stemming from mobilization of a kDNA/LINE-1 mutation. These genomic changes and detected transcript variations are consistent with our hypothesis that minicircle integration is a causal component of parasite-independent, autoimmune-driven lesions seen in the heart and other target tissues associated with Chagas disease.