Revisiting sodium and water reabsorption with functional genomics tools.

PURPOSE OF REVIEW: The kidney plays an essential role in maintaining sodium and water balance, thereby controlling the volume and osmolarity of the extracellular body fluids, the blood volume and the blood pressure. The final adjustment of sodium and water reabsorption in the kidney takes place in cells of the distal part of the nephron in which a set of apical and basolateral transporters participate in vectorial sodium and water transport from the tubular lumen to the interstitium and, finally, to the general circulation. According to a current model, the activity and/or cell-surface expression of these transporters is/are under the control of a gene network composed of the hormonally regulated, as well as constitutively expressed, genes. It is proposed that this gene network may include new candidate genes for salt- and water-losing syndromes and for salt-sensitive hypertension. A new generation of functional genomics techniques have recently been applied to the characterization of this gene network. The purpose of this review is to summarize these studies and to discuss the potential of the different techniques for characterization of the renal transcriptome. RECENT FINDINGS: Recently, DNA microarrays and serial analysis of gene expression have been applied to characterize the kidney transcriptome in different in-vivo and in-vitro models. In these studies, a set of new interesting genes potentially involved in the regulation of sodium and water reabsorption by the kidney have been identified and are currently under detailed investigation. SUMMARY: Characterization of the kidney transcriptome is greatly expanding our knowledge of the gene networks involved in multiple kidney functions, including the maintenance of sodium and water homeostasis.

siRNA-Mediated Knock-Down of P-Glycoprotein Expression Reveals Distinct Cellular Disposition of Anticancer Tyrosine Kinases Inhibitors.

Studies on the cellular disposition of targeted anticancer tyrosine kinases inhibitors (TKIs) have mostly focused on imatinib while the functional importance of P-glycoprotein (Pgp) the gene product of MDR1 remains controversial for more recent TKIs. By using RNA interference-mediated knockdown of MDR1, we have investigated and compared the specific functional consequence of Pgp on the cellular disposition of the major clinically in use TKIs imatinib, dasatinib, nilotinib, sunitinib and sorafenib. siRNA-mediated knockdown in K562/Dox cell lines provides a unique opportunity to dissect the specific contribution of Pgp to TKIs intracellular disposition. In these conditions, abrogating specifically Pgp-mediated efflux in vitro revealed the remarkable and statistically significant cellular accumulation of imatinib (difference in cellular levels between Pgp-expressing and silenced cells, at high and low incubation concentration, respectively: 6.1 and 6.6), dasatinib (4.9 and 5.6), sunitinib (3.7 and 7.3) and sorafenib (1.2 and 1.4), confirming that these TKIs are all substrates of Pgp. By contrast, no statistically significant difference in cellular disposition of nilotinib was observed as a result of MDR1 expression silencing (differences: 1.1 and 1.5) indicating that differential expression and/or function of Pgp is unlikely to affect nilotinib cellular disposition. This study enables for the first time a direct estimation of the specific contribution of one transporter among the various efflux and influx carriers involved in the cellular trafficking of these major TKIs in vitro. Knowledge on the distinct functional consequence of Pgp expression for these various TKIs cellular distribution is necessary to better appreciate the efficacy, toxicity, and potential drug-drug interactions of TKIs with other classes of therapeutic agents, at the systemic, tissular and cellular levels.

Mechanisms underlying functional recovery after in vivo focal cerebral ischemia : from preconditioning to diffusion MRI

Version abregée L'ischémie cérébrale est la troisième cause de mort dans les pays développés, et la maladie responsable des plus sérieux handicaps neurologiques. La compréhension des bases moléculaires et anatomiques de la récupération fonctionnelle après l'ischémie cérébrale est donc extrêmement importante et représente un domaine d'intérêt crucial pour la recherche fondamentale et clinique. Durant les deux dernières décennies, les chercheurs ont tenté de combattre les effets nocifs de l'ischémie cérébrale à l'aide de substances exogènes qui, bien que testées avec succès dans le domaine expérimental, ont montré un effet contradictoire dans l'application clinique. Une approche différente mais complémentaire est de stimuler des mécanismes intrinsèques de neuroprotection en utilisant le «modèle de préconditionnement» : une brève insulte protège contre des épisodes d'ischémie plus sévères à travers la stimulation de voies de signalisation endogènes qui augmentent la résistance à l'ischémie. Cette approche peut offrir des éléments importants pour clarifier les mécanismes endogènes de neuroprotection et fournir de nouvelles stratégies pour rendre les neurones et la glie plus résistants à l'attaque ischémique cérébrale. Dans un premier temps, nous avons donc étudié les mécanismes de neuroprotection intrinsèques stimulés par la thrombine, un neuroprotecteur «préconditionnant» dont on a montré, à l'aide de modèles expérimentaux in vitro et in vivo, qu'il réduit la mort neuronale. En appliquant une technique de microchirurgie pour induire une ischémie cérébrale transitoire chez la souris, nous avons montré que la thrombine peut stimuler les voies de signalisation intracellulaire médiées par MAPK et JNK par une approche moléculaire et l'analyse in vivo d'un inhibiteur spécifique de JNK (L JNK) .Nous avons également étudié l'impact de la thrombine sur la récupération fonctionnelle après une attaque et avons pu démontrer que ces mécanismes moléculaires peuvent améliorer la récupération motrice. La deuxième partie de cette étude des mécanismes de récupération après ischémie cérébrale est basée sur l'investigation des bases anatomiques de la plasticité des connections cérébrales, soit dans le modèle animal d'ischémie transitoire, soit chez l'homme. Selon des résultats précédemment publiés par divers groupes ,nous savons que des mécanismes de plasticité aboutissant à des degrés divers de récupération fonctionnelle sont mis enjeu après une lésion ischémique. Le résultat de cette réorganisation est une nouvelle architecture fonctionnelle et structurelle, qui varie individuellement selon l'anatomie de la lésion, l'âge du sujet et la chronicité de la lésion. Le succès de toute intervention thérapeutique dépendra donc de son interaction avec la nouvelle architecture anatomique. Pour cette raison, nous avons appliqué deux techniques de diffusion en résonance magnétique qui permettent de détecter les changements de microstructure cérébrale et de connexions anatomiques suite à une attaque : IRM par tenseur de diffusion (DT-IR1V) et IRM par spectre de diffusion (DSIRM). Grâce à la DT-IRM hautement sophistiquée, nous avons pu effectuer une étude de follow-up à long terme chez des souris ayant subi une ischémie cérébrale transitoire, qui a mis en évidence que les changements microstructurels dans l'infarctus ainsi que la modification des voies anatomiques sont corrélés à la récupération fonctionnelle. De plus, nous avons observé une réorganisation axonale dans des aires où l'on détecte une augmentation d'expression d'une protéine de plasticité exprimée dans le cône de croissance des axones (GAP-43). En appliquant la même technique, nous avons également effectué deux études, rétrospective et prospective, qui ont montré comment des paramètres obtenus avec DT-IRM peuvent monitorer la rapidité de récupération et mettre en évidence un changement structurel dans les voies impliquées dans les manifestations cliniques. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons décrit la manière dont la DS-IRM peut être appliquée dans le domaine expérimental et clinique pour étudier la plasticité cérébrale après ischémie. Abstract Ischemic stroke is the third leading cause of death in developed countries and the disease responsible for the most serious long-term neurological disability. Understanding molecular and anatomical basis of stroke recovery is, therefore, extremely important and represents a major field of interest for basic and clinical research. Over the past 2 decades, much attention has focused on counteracting noxious effect of the ischemic insult with exogenous substances (oxygen radical scavengers, AMPA and NMDA receptor antagonists, MMP inhibitors etc) which were successfully tested in the experimental field -but which turned out to have controversial effects in clinical trials. A different but complementary approach to address ischemia pathophysiology and treatment options is to stimulate and investigate intrinsic mechanisms of neuroprotection using the "preconditioning effect": applying a brief insult protects against subsequent prolonged and detrimental ischemic episodes, by up-regulating powerful endogenous pathways that increase resistance to injury. We believe that this approach might offer an important insight into the molecular mechanisms responsible for endogenous neuroprotection. In addition, results from preconditioning model experiment may provide new strategies for making brain cells "naturally" more resistant to ischemic injury and accelerate their rate of functional recovery. In the first part of this work, we investigated down-stream mechanisms of neuroprotection induced by thrombin, a well known neuroprotectant which has been demonstrated to reduce stroke-induced cell death in vitro and in vivo experimental models. Using microsurgery to induce transient brain ischemia in mice, we showed that thrombin can stimulate both MAPK and JNK intracellular pathways through a molecular biology approach and an in vivo analysis of a specific kinase inhibitor (L JNK1). We also studied thrombin's impact on functional recovery demonstrating that these molecular mechanisms could enhance post-stroke motor outcome. The second part of this study is based on investigating the anatomical basis underlying connectivity remodeling, leading to functional improvement after stroke. To do this, we used both a mouse model of experimental ischemia and human subjects with stroke. It is known from previous data published in literature, that the brain adapts to damage in a way that attempts to preserve motor function. The result of this reorganization is a new functional and structural architecture, which will vary from patient to patient depending on the anatomy of the damage, the biological age of the patient and the chronicity of the lesion. The success of any given therapeutic intervention will depend on how well it interacts with this new architecture. For this reason, we applied diffusion magnetic resonance techniques able to detect micro-structural and connectivity changes following an ischemic lesion: diffusion tensor MRI (DT-MRI) and diffusion spectrum MRI (DS-MRI). Using DT-MRI, we performed along-term follow up study of stroke mice which showed how diffusion changes in the stroke region and fiber tract remodeling is correlating with stroke recovery. In addition, axonal reorganization is shown in areas of increased plasticity related protein expression (GAP 43, growth axonal cone related protein). Applying the same technique, we then performed a retrospective and a prospective study in humans demonstrating how specific DTI parameters could help to monitor the speed of recovery and show longitudinal changes in damaged tracts involved in clinical symptoms. Finally, in the last part of this study we showed how DS-MRI could be applied both to experimental and human stroke and which perspectives it can open to further investigate post stroke plasticity.

Les aquaporines 4 et 9 dans le système nerveux central : expression lors de la différenciation cellulaire et implication dans le métabolisme énergétique astrocytaire "in vitro"

RESUME : Les aquaporines (AQPs) sont des protéines membranaires perméables à l'eau (aquaporines strictes) et, pour certaines d'entre elles, également au glycérol (aquaglycéroporines). Ces protéines sont présentes dans les bactéries, les plantes et les différents organes des mammifères. Dans le cerveau, la moindre augmentation de volume hydrique peut avoir de graves conséquences sur son fonctionnement, d'où l'importance de la régulation de l'homéostasie de l'eau grâce aux AQPs. L'AQP4, une aquaporine stricte, est présente dans les astrocytes et est impliquée dans la formation et la résorption des oedèmes cérébraux. En revanche, l'AQP9 est une aquaglycéroporine, qui est localisée non seulement dans les astrocytes mais également dans les neurones catécholaminergiques. Bien que la distribution de l'AQP4 dans le cerveau soit clairement établie, la présence de l'AQP9 est toujours une donnée controversée et son rôle fonctionnel dans le système nerveux central n'est pas connu. Par ailleurs, aucune donnée n'existe sur l'expression des AQP4 et 9 lors de la différenciation de cellules souches neurales foetales (CSNf) en astrocytes ou en neurones catécholaminergiques. Dans la première partie de ce travail, un protocole a été mis au point permettant de différencier des CSNf de souris en astrocytes et neurones, dont des neurones catécholaminergiques. La caractérisation des cultures de CSNf et des cultures mixtes par immunofluorescence a permis de montrer que l'immunomarquage AQP9 est présent dans les CSNf et est conservé lors de leur différenciation en astrocytes ou en neurones catécholaminergiques. Les résultats obtenus ont mis en évidence une très bonne corrélation entre l'expression de la TH (tyrosine hydroxylase: enzyme limitante de la synthèse des catécholamines) et celle de l'AQP9 lors de la différenciation des CSNf en neurones catécholaminergiques. Par contre, l'immunomarquage AQP4 n'est pas présent dans les CSNf alors qu'il est observé dans les astrocytes. De plus, aucun immunomarquage AQP4 ou AQP9 n'a été observé dans les neurones NIAP2-positifs. Dans la deuxième partie de ce travail, l'expression des AQP4 et 9 a été quantifiée dans les CSNf ainsi que dans trois populations d'astrocytes présentant des propriétés métaboliques différentes. Ces trois populations astrocytaires sont issues de la différenciation des CSNf par le CNTF, le LIF ou le sérum de veau foetal. Les analyses par RTPCR quantitative et western blot ont montré une augmentation de l'expression de l'AQP9 et de l'AQP4 corrélée à l'acquisition de propriétés métaboliques spécifiques des astrocytes matures. Dans la dernière partie, la technique d'ARN interférents a permis d'étudier le rôle fonctionnel de l'AQP9 dans le modèle de culture pure d'astrocytes différenciés par le sérum. L'inhibition de l'expression d'AQP9 entraîne une diminution de la perméabilité au glycérol et une augmentation de l'utilisation de glucose, corrélée à une stimulation du métabolisme oxydatif astrocytaire. En revanche, 1a baisse d'expression d'AQP9 n'a aucun effet sur la glycolyse anaérobie ni sur la libération du lactate. En conclusion, dans ce modèle in vitro, seule l'AQP9 est exprimée dans les CSNf et les neurones catécholaminergiques alors que dans Ies astrocytes, à la fois l'AQP9 et l'AQP4 sont exprimées. Cette distribution est identique à celle observée in vivo et confirme la localisation spécifique de l'AQP9 dans les neurones catécholaminergiques. De plus, ces résultats montrent, pour la première fois, l'implication de l'AQP9 dans la perméabilité des astrocytes au glycérol et son implication dans le métabolisme énergétique astrocytaire. ABSTACT : Aquaporins (AQPs) are membrane proteins permeable to water (orthodoxes aquaporins) and some of them are also permeable to glycerol (aquaglyceroporins). These proteins are widely expressed in bacteria, plants and mammals. AQP water homeostasis regulation in brain is of primary importance as the brain volume cannot increase. AQP4, an orthodoxe aquaporin, is present in astrocytes and seems to be involved in edema formation and resorption. On the other hand, AQP9 is an aquaglyceroporin which is localised not only in astrocytes but also in catecholaminergic neurons. Although AQP4 distribution in brain is clearly established, the presence of AQP9 is still a discussed data and its functional role in the central nervous system is unknown. In addition, no data exists on AQP4 or AQP9 expression during fetal neural stem cells (fNSC) differentiation into astrocytes or catecholaminergic neurons. In the first part of this work, a protocol was developed to differentiate mouse fNSC into astrocytes and neurons, with the aim to obtain catecholaminergic neurons. By immunefluorescence, we have shown that AQP9 is expressed in fNSC cultures and also in astrocytes and catecholaminergic neurons in mixt cultures. The results obtained highlighted a very good correlation between TH expression (tyrosin hydroxylase being a limiting enzyme of catecholamines synthesis) and AQP9 in fNSC and all along their differentiation into catecholaminergic neurons. On the other hand, AQP4 immunolabelling is not observed in fNSC whereas it is in astrocytes. Moreover, neitheir AQP4, nor AQP9 immunoreactivity was observed in MAP2-positive neurons. In the second part of this work, AQP4 and AQP9 expression was quantified in fNSC and in three populations of astrocytes presenting different metabolic properties. These three astrocyte populations result from fNSC differentiation by addition of CNTF, LIF or fetal calf serum. Quantitative RT-PCR and western blot analyses have shown an increase in both AQP4 and AQP9 expression, correlated with the acquisition of specific metabolic properties of mature astrocytes. In the last part, siRNA were used to study the functional role of AQP9 in the pure astrocyte culture model differentiated by addition of fetal calf serum. Inhibition of AQP9 expression leads to a decrease of glycerol uptake and to an increase of glucose uptake, correlated with a stimulation of the astrocyte oxydative metabolism. On the other hand, inhibition of AQP9 expression does not have any effect on anaerobic glycolysis nor on lactate release. In conclusion, in this in vitro model, only AQP9 is expressed in fNSC and in catecholaminergic neurons whereas in astrocytes, both AQP9 and AQP4 are expressed. This distribution is identical to that observed in vivo and confirms the specific AQP9 localization in catecholaminergic neurons. IVloreover, these results show, for the first time, that AQP9 is implicated in glycerol uptake and in astrocyte energetic metabolism. Résumé large public : Les aquaporines, des protéines localisées dans les membranes cellulaires sont, comme leur nom l'indique, des canaux à eau. Pendant longtemps, il a été considéré que l'eau diffusait librement dans et à travers les cellules; la caractérisation des AQPs a révolutionné la vision des scientifiques concernant les mouvements d'eau entre les différents compartiments infra et extracellulaires, et a d'ailleurs valu le Prix Nobel à Peter Agre en 1992. Certaines AQPs, dites "strictes", laissent passer uniquement l'eau et participent au contrôle du volume hydrique. Ce contrôle est particulièrement important pour le bon fonctionnement du cerveau en raison de la présence de la boîte crânienne qui limite les variations de volume. D'autres AQPs, les aquaglycéroporines, sont perméables non seulement à l'eau mais également à d'autres molécules comme le glycérol. Elles facilitent, par exemple, la sortie du glycérol des cellules graisseuses et sa capture par les cellules du foie afin de produire du glucose en période de jeûne. Le cerveau est principalement composé de deux types de cellules: les neurones et les cellules gliales, majoritairement des astrocytes. L'AQP4, une AQP stricte, est présente dans les astrocytes et joue un rôle dans la formation et la résorption des oedèmes cérébraux. L'AQP9, une aquaglycéroporine, est également présente dans les astrocytes et dans une population spécifique de neurones, les neurones catécholaminergiques, touchés dans la maladie de Parkinson. A ce jour, la présence de l'AQP9 dans le cerveau est une donnée controversée et son rôle fonctionnel est inconnu. Ce travail de thèse a permis de montrer que l'AQP9 est bien présente d'une part dans les cellules souches neurales foetales et d'autre ,part dans les astrocytes et neurones catécholaminergiques issus de leur différenciation. De plus, ces expériences ont mis en évidence un rôle de l'AQP9 dans l'entrée du glycérol dans les astrocytes, ce qui pourrait être bénéfique dans des conditions d'ischémie. Enfin, les .résultats de cette étude suggèrent également un rôle de l'AQP9 dans le métabolisme énergétique des astrocytes. L'ensemble de ces travaux démontre le rôle important de l'AQP9 dans le cerveau et ouvre de nouvelles perspectives quant aux rôles des AQPs dans des situations pathologiques telles que l'ischémie cérébrale ou encore la maladie de Parkinson.

T cell differentiation in chronic infection and cancer: functional adaptation or exhaustion?

Chronic viral infections and malignant tumours induce T cells that have a reduced ability to secrete effector cytokines and have upregulated expression of the inhibitory receptor PD1 (programmed cell death protein 1). These features have so far been considered to mark terminally differentiated 'exhausted' T cells. However, several recent clinical and experimental observations indicate that phenotypically exhausted T cells can still mediate a crucial level of pathogen or tumour control. In this Opinion article, we propose that the exhausted phenotype results from a differentiation process in which T cells stably adjust their effector capacity to the needs of chronic infection. We argue that this phenotype is optimized to cause minimal tissue damage while still mediating a critical level of pathogen control. In contrast to the presently held view of functional exhaustion, this new concept better reflects the pathophysiology and clinical manifestations of persisting infections, and it provides a rationale for emerging therapies that enhance T cell activity in chronic infection and cancer by blocking inhibitory receptors.

Mouse Grueneberg ganglion neurons share molecular and functional features with C. elegans amphid neurons.

The mouse Grueneberg ganglion (GG) is an olfactory subsystem located at the tip of the nose close to the entry of the naris. It comprises neurons that are both sensitive to cold temperature and play an important role in the detection of alarm pheromones (APs). This chemical modality may be essential for species survival. Interestingly, GG neurons display an atypical mammalian olfactory morphology with neurons bearing deeply invaginated cilia mostly covered by ensheathing glial cells. We had previously noticed their morphological resemblance with the chemosensory amphid neurons found in the anterior region of the head of Caenorhabditis elegans (C. elegans). We demonstrate here further molecular and functional similarities. Thus, we found an orthologous expression of molecular signaling elements that was furthermore restricted to similar specific subcellular localizations. Calcium imaging also revealed a ligand selectivity for the methylated thiazole odorants that amphid neurons are known to detect. Cellular responses from GG neurons evoked by chemical or temperature stimuli were also partially cGMP-dependent. In addition, we found that, although behaviors depending on temperature sensing in the mouse, such as huddling and thermotaxis did not implicate the GG, the thermosensitivity modulated the chemosensitivity at the level of single GG neurons. Thus, the striking similarities with the chemosensory amphid neurons of C. elegans conferred to the mouse GG neurons unique multimodal sensory properties.

A functional microsatellite of the macrophage migration inhibitory factor gene associated with meningococcal disease.

Macrophage migration inhibitory factor (MIF) is an abundantly expressed proinflammatory cytokine playing a critical role in innate immunity and sepsis and other inflammatory diseases. We examined whether functional MIF gene polymorphisms (-794 CATT(5-8) microsatellite and -173 G/C SNP) were associated with the occurrence and outcome of meningococcal disease in children. The CATT(5) allele was associated with the probability of death predicted by the Pediatric Index of Mortality 2 (P=0.001), which increased in correlation with the CATT(5) copy number (P=0.04). The CATT(5) allele, but not the -173 G/C alleles, was also associated with the actual mortality from meningoccal sepsis [OR 2.72 (1.2-6.4), P=0.02]. A family-based association test (i.e., transmission disequilibrium test) performed in 240 trios with 1 afflicted offspring indicated that CATT(5) was a protective allele (P=0.02) for the occurrence of meningococcal disease. At baseline and after stimulation with Neisseria meningitidis in THP-1 monocytic cells or in a whole-blood assay, CATT(5) was found to be a low-expression MIF allele (P=0.005 and P=0.04 for transcriptional activity; P=0.09 and P=0.09 for MIF production). Taken together, these data suggest that polymorphisms of the MIF gene affecting MIF expression are associated with the occurrence, severity, and outcome of meningococcal disease in children.

Emotion expression in body action and posture

Emotion communication research strongly focuses on the face and voice as expressive modalities, leaving the rest of the body relatively understudied. Contrary to the early assumption that body movement only indicates emotional intensity, recent studies show that body movement and posture also convey emotion specific information. However, a deeper understanding of the underlying mechanisms is hampered by a lack of production studies informed by a theoretical framework. In this research we adopted the Body Action and Posture (BAP) coding system to examine the types and patterns of body movement that are employed by 10 professional actors to portray a set of 12 emotions. We investigated to what extent these expression patterns support explicit or implicit predictions from basic emotion theory, bi-dimensional theory, and componential appraisal theory. The overall results showed partial support for the different theoretical approaches. They revealed that several patterns of body movement systematically occur in portrayals of specific emotions, allowing emotion differentiation. While a few emotions were prototypically encoded by one particular pattern, most emotions were variably expressed by multiple patterns, many of which can be explained as reflecting functional components of emotion such as modes of appraisal and action readiness. It is concluded that further work in this largely underdeveloped area should be guided by an appropriate theoretical framework to allow a more systematic design of experiments and clear hypothesis testing.

Control of gene expression in melanocytes and RPE by conserved distal regulatory elements

Résumé Durant le développement embryonnaire, les cellules pigmentaires des mammifères se développent à partir de deux origines différentes : les melanocytes se développent à partir de la crête neurale alors que les cellules de la rétine pigmentaire (RP) ont une origine neuronale. Un grand nombre de gènes sont impliqués dans la pigmentation dont les gènes de la famille tyrosinase à savoir Tyr, Tyrp1 et Dct. Certaines études ont suggéré que les gènes de la pigmentation sont régulés de manière différentielle dans les mélanocytes et dans la RP. Dans ce travail, les gènes de la famille tyrosinase ont été étudiés comme modèle de la régulation des gènes de la pigmentation par des éléments régulateurs agissant à distance. II a été montré que le promoteur du gène Tyrp1pouvait induire l'expression d'un transgène uniquement dans la RP alors que ce gène est aussi exprimé dans les mélanocytes comme le montre le phénotype des souris mutantes pour Tyrp1. Ce résultat suggère que les éléments régulateurs du promoteur sont suffisants pour l'expression dans la RP mais pas pour l'expression dans les mélanocytes. J'ai donc cherché à identifier la séquence qui régule l'expression dans les mélanocytes. Un chromosome artificiel bactérien (CAB) contenant le gène Tyrp1 s'est avéré suffisant pour induire l'expression dans les mélanocytes, comme démontré par la correction du phénotype mutant. La séquence de ce CAB contient plusieurs régions très conservées qui pourraient représenter de nouveaux éléments régulateurs. Par la suite, j'ai focalisé mon analyse sur une séquence située à -I5 kb qui s'est révélée être un amplificateur spécifique aux mélanocytes comme démontré par des expériences de cultures cellulaire et de transgenèse. De plus, une analyse poussée de cet élément a révélé que le facteur de transcription Sox 10 représentait un transactivateur de cet amplificateur. Comme pour Tyrp1, la régulation du gène tyrosinase est contrôlée par différents éléments régulateurs dans les mélanocytes et la RP. Il a été montré que le promoteur de tyrosinase n'était pas suffisant pour une forte expression dans les mélanocytes et la RP. De plus, l'analyse de la région située en amont a révélé la présence d'un amplificateur nécessaire à l'expression dans les mélanocytes à la position -15 kb. Cet amplificateur n'est toutefois pas actif dans la RP mais agit comme un répresseur dans ces cellules. Ces résultats indiquent que certains éléments nécessaires à l'expression dans les deux types de cellules pigmentaires sont absents de ces constructions. Comme pour Tyrp1, j'ai en premier lieu démontré qu'un CAB était capable de corriger le phénotype albinique, puis ai inséré un gène reporter (lacZ) dans le CAB par recombinaison homologue et ai finalement analysé l'expression du reporter en transgenèse. Ces souris ont montré une expression forte du lacZ dans les mélanocytes et la RP, ce qui indique que le CAB contient les séquences régulatrices nécessaires à l'expression correcte de tyrosinase. Afin de localiser plus précisément les éléments régulateurs, j'ai ensuite généré des délétions dans le CAB et analysé l'expression du lacZ en transgenèse. La comparaison de séquences génomiques provenant de différentes espèces a permis par la suite d'identifier des régions représentant de nouveaux éléments régulateurs potentiels. En utilisant cette approche, j'ai identifié une région qui se comporte comme un amplificateur dans la RP et qui est nécessaire à l'expression de tyrosinase dans ce tissu. De plus, j'ai identifié les facteurs de transcription Mitf et Sox10 comme transactivateurs de l'amplificateur spécifique aux mélanocytes situé à -15 kb. L'identification et la caractérisation des ces éléments régulateurs des gènes tyrosinase et Tyrp1confirme donc que la régulation différentielle des gènes dans les mélanocytes et la RP est liée à des éléments régulateurs séparés. Summary Pigment cells of mammals originate from two different lineages: melanocytes arise from the neural crest, whereas cells of the retinal pigment epithelium (RPE) originate from the optic cup of the developing forebrain. A large set of genes are involved in pigmentation, including the members of the tyrosinase gene family, namely tyrosinase, Tyrp1 and Dct. Previous studies have suggested that pigmentation genes are differentially regulated in melanocytes and RPE. In this work, the tyrosinase gene family was used as a model for studying the involvement of distal regulatory elements in pigment cell-specific gene expression. The promoter of the Tyrp1 gene has been shown to drive detectable transgene expression only to the RPE, even though the gene is also expressed in melanocytes as evident from Tyrp1-mutant mice. This indicates that the regulatory elements responsible for Tyrp1 gene expression in the RPE are not sufficient for expression in melanocytes. I thus searched for a putative melanocyte-specific regulatory sequence and demonstrate that a bacterial artificial chromosome (BAC) containing the Tyrp1 gene and surrounding sequences is able to target transgenic expression to melanocytes and to rescue the Tyrp1 b (brown) phenotype. This BAC contains several highly conserved non-coding sequences that might represent novel regulatory elements. I further focused on a sequence located at -15 kb which I identified as amelanocyte-specific enhancer as shown by cell culture and transgenic mice. In addition, further functional analysis identified the transcription factor Sox10 as being able to bind and transactivate this enhancer. As for Tyrp1, tyrosinase gene regulation is mediated by different cis-regulatory elements in melanocytes and RPE. It was shown that the tyrosinase promoter was not sufficient to confer strong and specific expression in melanocytes and RPE. Moreover, analysis of tyrosinase upstream sequence, revealed the presence of a specific enhancer at position -15 kb which was necessary to confer strong expression in melanocytes. This enhancer element however failed to act as an enhancer in the RPE, but rather repressed expression. This indicates that some regulatory elements required for tyrosinase expression in both RPE and melanocytes are still missing from these constructs. As for Tyrp1, I first demonstrated that a BAC containing the Tyr gene is able to rescue the Tyr c (albino) phenotype in mice, then I inserted a lacZ reporter gene in the BAC by homologous recombination, and finally analysed the pattern of lacZ expression in transgenic mice. These mice showed strong lacZ expression in both RPE and melanocytes, indicating that the BAC contains the regulatory sequences required for proper tyrosinase expression. In order to localize more precisely these regulatory elements, I have then generated several deletions in the BAC and analysed lacZ expression in transgenic mice. Multi-species comparative genomic analysis then allowed identifying conserved sequences that potentially represent novel regulatory elements. Using this experimental approach, I identified a region that behaves as a RPE-specific enhancer and that is required for tyrosinase expression in the retina] pigment epithelium. In addition, I identified the transcription factors Mitf and Sox l0 as being transactivators of the melanocyte-specific enhancer located at -l5 kb. The identification and characterization of these tyrosinase and Tyrp1 distal regulatory element supports the idea that separate regulatory sequences mediate differential gene expression in melanocytes and RPE.

Characterization and functional identification of a novel plant extradiol 4,5-dioxygenase involved in betalain pigment biosynthesis in Portulaca Grandiflora

RESUME Les bétalaïnes sont des pigments chromo-alcaloïdes violets et jaunes présents dans les plantes appartenant à l'ordre des Caryophyllales et dans les champignons des genres Amanita et Hygrocybe. Leur courte voie de biosynthèse est élucidée chimiquement depuis de nombreuses années, mais les enzymes impliquées dans cette biosynthèse chez les plantes ne sont toujours pas caractérisées. L'enzyme de la DOPA-dioxygénase d' Amanita muscaria a été identifiée (Girod et Zryd, 1991a), mais de nombreuses tentatives d'isolation d'un homologue chez les plantes ont échoué. Afin d'isoler les gènes spécifiques des bétalaïnes chez les plantes, nous avons construit des banques soustraites d'ADNc à partir d'ARN total de pétales immatures de Portulaca grandiflora (Pg) de génotypes jaunes et blancs, respectivement violets et blancs. Les clones couleur- spécifiques ont été détectés en premier par analyse Northem du RNA de pétales blancs et colorés. Les candidats positifs ont alors été soumis à une analyse de transcription au niveau des tiges colorées, vertes et des feuilles, afin d'établir leur expression spécifique. Deux ARNs messagers complets ont une expression corrélée avec l'accumulation des bétalaïnes dans les tissus. Le premier de ces clones, A.16, code pour une oxydase de l'acyl-Coenzyme A (ACX) putative, mais le domaine de liaison du FAD essentiel pour l'activité d'ACX est absent. Toutes nos tentatives pour démontrer sa fonction ont échoué. Le rôle de cette protéine dans la voie de synthèse des bétalaïnes reste inconnu. Le deuxième de ces clones spécifique aux bétalaïnes, L.6 (isolé par Zaiko, 2000), a été renommé DODA en raison de son homologie avec le domaine LigB (pfam02900) d'une 4,5-dioxygénase extradiol bactérienne. DODA a été identifié in silico comme une dioxygénase extradiol en raison de la conservation stricte, au niveau de sa séquence peptidique, des résidus catalytiques de LigB et de ceux liant le cofacteur fer. Une analyse de transfert Southem a montré que ce gène est unique dans Pg. L'expression transitoire de DODA par transformation biolistique dans des pétales blancs de Pg a produit des taches violettes ou jaunes dans des cellules transformées. Une analyse HPLC de ces taches a démontré leur identité avec les bétalaïnes présentes naturellement dans les pétales violets et jaunes de Pg, confirmant ainsi la complémentation par le gène Pg DODA de l'allèle récessif cc présent dans les pétales blancs de Pg. Des homologues de DODA (DOPA-dioxygénase) ont été identifiés dans de nombreuses espèces de plantes, y compris dans celles sans bétalaïne. L'alignement de ces homologues a permis l'identification d'un motif spécifique aux bétalaïnes à côté d'une histidine catalytique conservée. Ce motif [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] remplace le motif [H-N-L-R] conservé dans les plantes sans bétalaïne et le motif [H-N-L-x] présent dans tous les homologues bactériens et archaebactériens. Une modélisation tridimensionnelle préliminaire du site actif de Pg DODA et de son homologue dans la mousse Physcomitrella patens a montré l'importance de ce motif spécifique aux bétalaïnes pour l'accessibilité du substrat au site actif. L'analyse phylogénétique de DODA a confirmé l'évolution séparée de cette protéine chez les plantes à bétalaïnes par comparaison avec celle des plantes sans bétalaïne. Nous avons donc conclu que les bétalaïnes sont apparues par modification de l'affinité pour un substrat d'enzymes similaires à DODA, chez un ancêtre unique des Caryophyllales qui a perdu toute capacité de biosynthèse des anthocyanes. Finalement, Pg DODA n'a aucune similarité avec la protéine DODA d' Amanita muscaria, bien que celle-ci complémente aussi la pigmentation des pétales blancs de Pg. La biosynthèse des bétalaïnes est un exemple remarquable de convergence évolutive biochimique indépendante entre espèces de règnes différents. ABSTRACT Betalains are violet and yellow chromo-alkaloid pigments present in plants belonging to the order Caryophyllales and also in the fungal genera Amanita and Hygrocybe. Their short biosynthetic pathway is chemically well understood since many years, but enzymes involved in the plant pathway are still uncharacterized. The DOPA-dioxygenase from Amanita muscaria was identified (Girod and Zryd, 1991a), but numerous attempts to identify a plant homologue to the corresponding gene, failed. In order to isolate betalain-specific genes in plants, subtractive cDNA libraries were built with total RNA from white and yellow and respectively, violet immature petals from Portulaca grandiflora (Pg) genotypes. Colour-specific clones were first detected by Northern blot analysis using RNA from white and coloured petals. Positive candidates were submitted to further transcription analysis in coloured, green stems and leaves in order to assess their specific expression. Two full-length mRNAs showed a correlated expression with betalain accumulation in tissues. One of them, A.16, encodes a putative acyl-Coenzyme A oxidase (ACX), but missing the FAD binding domain essential for the ACX activity. Thus, all attempts to demonstrate its function failed. The role of this protein in the betalain biosynthesis pathway, if any, is still unknown. The second betalain-specific mRNA, L.6 (isolated by Zaiko, 2000) shows a homology with a LigB domain (pfam02900) from a bacterial extradiol 4,5-dioxygenase. It was then renamed DODA (DOPA-dioxygenase). DODA was identified in silico as a highly conserved extradiol dioxygenase due to the strict conservation of its peptidic sequence with LigB catalytic residues and iron-binding cofactor residues. Southern blot analysis showed that this gene is a single copy-gene in Pg. Transient expression of DODA protein through biolistic transformation of Pg white petals produced violet or yellow spots in individual cells. HPLC analysis of these spots showed an identity with betalain pigments present naturally in yellow and violet Pg petals, thus confirming the complementation of the recessive cc allele present in Pg white petals by Pg DODA gene. DODA homologues were identified in numerous plant species including those without betalain. Alignment of these homologues allowed the identification of a betalain-specific pattern beside a highly conserved catalytic histidine. This [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] pattern replaces a [H-N-L-R] pattern strictly conserved in non-betalain plants and a [H-N-L-x] pattern present in all bacterial and archaebacterial homologues. Preliminary three-dimensional modeling of the active site of Pg DODA and its Physcomitrella patens moss homologue revealed the importance of this betalain-specific pattern for the substrate accessibility to the DODA active site. DODA phylogenetic analysis confirmed the separate evolution of this protein in betalain-producing plants. We conclude that betalain pigments appeared in a unique ancestor of the Caryophyllales order in which anthocyanin biosynthetic pathway was impaired, by a modification of enzymes of the DODA family for substrate affinity. The Pg DODA protein has no sequence similarity with Amanita muscaria DODA, despite the fact that they both complement Pg white petals for their pigmentation. Betalain biosynthesis is an interesting example of independent biochemical evolutionary convergence between species from different kingdoms.

Use of physiological constraints to identify quantitative design principles for gene expression in yeast adaptation to heat shock

Background: Understanding the relationship between gene expression changes, enzyme activity shifts, and the corresponding physiological adaptive response of organisms to environmental cues is crucial in explaining how cells cope with stress. For example, adaptation of yeast to heat shock involves a characteristic profile of changes to the expression levels of genes coding for enzymes of the glycolytic pathway and some of its branches. The experimental determination of changes in gene expression profiles provides a descriptive picture of the adaptive response to stress. However, it does not explain why a particular profile is selected for any given response. Results: We used mathematical models and analysis of in silico gene expression profiles (GEPs) to understand how changes in gene expression correlate to an efficient response of yeast cells to heat shock. An exhaustive set of GEPs, matched with the corresponding set of enzyme activities, was simulated and analyzed. The effectiveness of each profile in the response to heat shock was evaluated according to relevant physiological and functional criteria. The small subset of GEPs that lead to effective physiological responses after heat shock was identified as the result of the tuning of several evolutionary criteria. The experimentally observed transcriptional changes in response to heat shock belong to this set and can be explained by quantitative design principles at the physiological level that ultimately constrain changes in gene expression. Conclusion: Our theoretical approach suggests a method for understanding the combined effect of changes in the expression of multiple genes on the activity of metabolic pathways, and consequently on the adaptation of cellular metabolism to heat shock. This method identifies quantitative design principles that facilitate understating the response of the cell to stress.

An activator/repressor dual system allows tight tetracycline-regulated gene expression in budding yeast

We have developed an activator/repressor expression system for budding yeast in which tetracyclines control in opposite ways the ability of tetR-based activator and repressor molecules to bind tetO promoters. This combination allows tight expression of tetO-driven genes, both in a direct (tetracycline-repressible) and reverse (tetracycline-inducible) dual system. Ssn6 and Tup1, that are components of a general repressor complex in yeast, have been tested for their repressing properties in the dual system, using lacZ and CLN2 as reporter genes. Ssn6 gives better results and allows complete switching-off of the regulated genes, although increasing the levels of the Tup1-based repressor by expressing it from a stronger promoter improves repressing efficiency of the latter. Effector-mediated shifts between expression and non-expression conditions are rapid. The dual system here described may be useful for the functional analysis of essential genes whose conditional expression can be tightly controlled by tetracyclines.

A functional variant in the Stearoyl-CoA desaturase gene promoter enhances fatty acid desaturation in pork

There is growing public concern about reducing saturated fat intake. Stearoyl-CoA desaturase (SCD) is the lipogenic enzyme responsible for the biosynthesis of oleic acid (18:1) by desaturating stearic acid (18:0). Here we describe a total of 18 mutations in the promoter and 3′ non-coding region of the pig SCD gene and provide evidence that allele T at AY487830:g.2228T>C in the promoter region enhances fat desaturation (the ratio 18:1/18:0 in muscle increases from 3.78 to 4.43 in opposite homozygotes) without affecting fat content (18:0+18:1, intramuscular fat content, and backfat thickness). No mutations that could affect the functionality of the protein were found in the coding region. First, we proved in a purebred Duroc line that the C-T-A haplotype of the 3 single nucleotide polymorphisms (SNPs) (g.2108C>T; g.2228T>C; g.2281A>G) of the promoter region was additively associated to enhanced 18:1/18:0 both in muscle and subcutaneous fat, but not in liver. We show that this association was consistent over a 10-year period of overlapping generations and, in line with these results, that the C-T-A haplotype displayed greater SCD mRNA expression in muscle. The effect of this haplotype was validated both internally, by comparing opposite homozygote siblings, and externally, by using experimental Duroc-based crossbreds. Second, the g.2281A>G and the g.2108C>T SNPs were excluded as causative mutations using new and previously published data, restricting the causality to g.2228T>C SNP, the last source of genetic variation within the haplotype. This mutation is positioned in the core sequence of several putative transcription factor binding sites, so that there are several plausible mechanisms by which allele T enhances 18:1/18:0 and, consequently, the proportion of monounsaturated to saturated fat.

A Cellular Perspective on Brain Energy Metabolism and Functional Imaging.

The energy demands of the brain are high: they account for at least 20% of the body's energy consumption. Evolutionary studies indicate that the emergence of higher cognitive functions in humans is associated with an increased glucose utilization and expression of energy metabolism genes. Functional brain imaging techniques such as fMRI and PET, which are widely used in human neuroscience studies, detect signals that monitor energy delivery and use in register with neuronal activity. Recent technological advances in metabolic studies with cellular resolution have afforded decisive insights into the understanding of the cellular and molecular bases of the coupling between neuronal activity and energy metabolism and point at a key role of neuron-astrocyte metabolic interactions. This article reviews some of the most salient features emerging from recent studies and aims at providing an integration of brain energy metabolism across resolution scales.

Identification of potential HIV restriction factors by combining evolutionary genomic signatures with functional analyses.

BACKGROUND: Known antiretroviral restriction factors are encoded by genes that are under positive selection pressure, induced during HIV-1 infection, up-regulated by interferons, and/or interact with viral proteins. To identify potential novel restriction factors, we performed genome-wide scans for human genes sharing molecular and evolutionary signatures of known restriction factors and tested the anti-HIV-1 activity of the most promising candidates. RESULTS: Our analyses identified 30 human genes that share characteristics of known restriction factors. Functional analyses of 27 of these candidates showed that over-expression of a strikingly high proportion of them significantly inhibited HIV-1 without causing cytotoxic effects. Five factors (APOL1, APOL6, CD164, TNFRSF10A, TNFRSF10D) suppressed infectious HIV-1 production in transfected 293T cells by >90% and six additional candidates (FCGR3A, CD3E, OAS1, GBP5, SPN, IFI16) achieved this when the virus was lacking intact accessory vpr, vpu and nef genes. Unexpectedly, over-expression of two factors (IL1A, SP110) significantly increased infectious HIV-1 production. Mechanistic studies suggest that the newly identified potential restriction factors act at different steps of the viral replication cycle, including proviral transcription and production of viral proteins. Finally, we confirmed that mRNA expression of most of these candidate restriction factors in primary CD4+ T cells is significantly increased by type I interferons. CONCLUSIONS: A limited number of human genes share multiple characteristics of genes encoding for known restriction factors. Most of them display anti-retroviral activity in transient transfection assays and are expressed in primary CD4+ T cells.