Molecular mechanisms of penicillin-induced killing and penicillin tolerance in Streptococcus gordonii

Abstract The main thesis topic relates to the 'molecular mechanisms of penicillin-induced bacterial death. Indeed, bacteria have developed two principal mechanisms to escape the killing effect of ß-lactam antibiotics: resistance and tolerance. Resistant bacteria are characterized by their ability to grow in the presence of drug concentrations higher than the one inhibiting the growth of susceptible members of the same species. Hence, resistant bacteria have an increased minimal inhibitory concentration (MIC) of the drug. Nevertheless, when exposed to antibiotic concentrations exceeding their new MIC, resistant bacteria remain sensitive to the antibiotic killing effect. In contrast, tolerant bacteria have an unchanged MIC. However, they have a considerably increased ability to survive drug-induced killing, even at concentrations exceeding their MIC by several orders of magnitude. In other words, in the presence of the antibiotic, tolerant bacteria become persister cells which stop growing but are not killed. In the present thesis, it is shown that the survival phenotype of a tolerant Streptococcus gordonii strain depends on two components belonging to sugar metabolism pathways. First, the transcription factor CcpA which mediates a global regulatory mechanism allowing bacteria to utilize the most efficient sugar source for their growth. We show that the inactivation of the ccpA gene leads to a partial loss of penicillin tolerance both in vitro and in a rat model of experimental endocarditis. Second, the Enzyme I of the phosphotransferase system which is involved in the uptake and phosphorylation of sugars. Here, we -show that a single nucleotide mutation in ptsI, the gene encoding the Enzyme I, is sufficient to confer a fully tolerant phenotype in S. gordonii both in vivo and in vivo. The mutation results in a radical proline to arginine substitution in the C-terminal domain of the protein, probably leading to a decrease in its homodimerization and subsequent activity. Taken together our results prove that tolerance is a global survival mechanism linked to sugar metabolism. We hypothesize that, in the presence of the antibiotic, the already altered metabolic processes of the tolerant strain are completely inactivated. Hence, bacteria may enter in a dormant state and become insensitive to the bactericidal effect of ß-lactams, which depends on actively dividing cells. This thesis manuscript also contains two other side-projects. The first one establishes that the ability to form a biofilm is not a requisite for the successful establishment of endocarditis due to S. gordonii. The second one characterizes the S. gordonii a-phosphoglucomutase gene, and shows that its inactivation results in a loss of in vitro fitness and in vivo virulence. Résumé Le sujet principal de cette thèse concerne les mécanismes moléculaires de la mort bactérienne induite par la pénicilline. En effet, les bactéries ont développé deux mécanismes principaux pour échapper à l'effet bactéricide des ß-lactamines : la résistance et la tolérance. Les bactéries résistantes sont caractérisées par leur capacité de croître en présence de concentration d'antibiotiques plus élevées que celles inhibant la croissance des organismes sensibles de la même espèce. Les bactéries résistantes ont donc une augmentation de leur concentration minimale inhibitrice (CMI) à l'antibiotique. Néanmoins, quand elles sont exposées à des concentrations dépassant leur nouvelle CMI, elles restent sensibles à l'effet bactéricide. Au contraire, les bactéries tolérantes ont une CMI inchangée. Toutefois, elles ont une très importante capacité à survivre à l'effet bactéricide des ß-lactamines, ceci même à des concentrations excédant leur CMI de plusieurs ordres de grandeur. En d'autres termes, en présence de l'antibiotique, les bactéries tolérantes deviennent des cellules persistantes qui arrêtent leur croissance mais ne sont pas tuées. Dans la présente thèse, il est montré que le phénotype de survie d'un Streptococcus gordonii tolérant dépend de deux composants appartenant aux voies du métabolisme des sucres. Premièrement, le facteur de transcription CcpA qui contrôle un système global de régulation permettant à la bactérie d'utiliser les sources de sucre les plus efficaces pour sa croissance. Il est montré que l'inactivation du gène ccpA résulte en la perte partielle de la tolérance à la pénicilline aussi bien in vitro que dans un modèle d'endocardite expérimentale chez le rat. Deuxièmement, l'Enzyme I du système de phosphotransfert impliqué dans l'import et la phosphorylation des sucres. Nous montrons qu'une mutation ponctuelle d'un nucléotide dans ptsl, le gène codant pour l'Enzyme I, suffit à complètement conférer un phénotype tolérant chez S. gordonii aussi bien in vitro qu'in vivo. La mutation induit la substitution radicale d'une proline en une arginine dans le domaine C-terminal de la protéine, résultant probablement en une diminution de sa capacité d'homodimérisation et donc d'activité. Dans leur ensemble, nos résultats prouvent que la tolérance est un mécanisme global de survie lié au métabolisme des sucres. Nous présentons l'hypothèse que, en présence de l'antibiotique, les processus métaboliques déjà altérés de la souche tolérante deviennent complètement inactifs. En conséquence, les bactéries entreraient dans un état dormant nonréplicatif, devenant ainsi insensibles à l'effet bactéricide des ß-lactamines qui nécessite des cellules en cours de division active. Le manuscrit de cette thèse contient également deux projets secondaires. Le premier montre que la capacité de former un biofilm n'est pas un prérequis pour le succès de l'initiation de l'endocardite à S. gordonii. Le second caractérise le gène de l'a-phosphoglucomutase de S. gordonii et montre que son inactivation résulte en une perte de fitness in vitro et de virulence in vivo.

Persistent infection of arenaviruses : molecular mechanisms and pathogenesis

Arenaviruses are enveloped negative single strand RNA viruses that include a number of important human pathogens. The most prevalent human pathogen among the arenaviruses is the Old World arenavirus Lassa virus (LASV) which is endemic in West Africa from Senegal to Cameroon. LASV is the etiologic agent of a severe viral hemorrhagic fever named Lassa fever whose mortality rate can reach 30% in hospitalized patients. One of the hallmarks of fatal arenavirus infection in humans is the absence of an effective innate and adaptive immune response. In nature, arenaviruses are carried by rodents which represent the natural reservoirs as well as the vectors for transmission. In their natural rodent reservoir, arenaviruses have the ability to establish persistent infection without any overt signs and symptoms of pathology. We believe that the modulation of the host cell's innate immunity by arenaviruses is a key determinant for persistence in the natural host and for the pathogenesis in man. In this thesis, we studied the interaction of arenaviruses with two main branches of the host's innate anti-viral defense, the type I interferon (IFN) system and virus-induced mitochondrial apoptosis. The arenavirus nucleoprotein (NP) is responsible for the anti-IFN activity of arenaviruses. Specifically, NP blocks the activation and the nuclear translocation of the transcription factor interferon regulatory factor 3 (IRF3) which leads to type I IFN production. LASV and the prototypic arenavirus lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) NPs contain a 3'-5'exoribonuclease domain in the C terminal part that has been linked to the anti-IFN activity of NP. In the first project, we sought to identify cellular component(s) of the type I IFN induction pathway targeted by the viral NP. Our study revealed that LCMV NP prevents the activation of IRF3 by blocking phosphorylation of the transcription factor. We found that LCMV NP specifically targets the IRF-activating kinase IKKs, and this specific binding is conserved within the Arenaviridae. We could also demonstrate that LCMV NP associates with the kinase domain of IKKs involving NP's C-terminal region. Lastly, we showed that the binding of LCMV NP inhibits the kinase activity of IKKs. This study allowed the discovery of a new cellular interacting partner of arenavirus NP. This newly described association may play a role in the anti-IFN activity of arenaviruses but potentially also in other aspects of arenavirus infection. For the second project, we investigated the ability of arenaviruses to avoid and/or suppress mitochondrial apoptosis. As persistent viruses, arenaviruses evolved a "hit and stay" survival strategy where the apoptosis of the host cell would be deleterious. We found that LCMV does not induce mitochondrial apoptosis at any time during infection. Specifically, no caspase activity, no cytochrome c release from the mitochondria as well as no cleavage of poly (ADP-ribose) polymerase (PARP) were detected during LCMV infection. Interestingly, we found that virus-induced mitochondrial apoptosis remains fully functional in LCMV infected cells, while the induction of type IIFN is blocked. Since both type IIFN production and virus- induced mitochondrial apoptosis critically depend on the pattern recognition receptor (PRR) RIG-I, we examined the role of RIG-I in apoptosis in LCMV infected cells. Notably, virus- induced mitochondrial apoptosis in LCMV infected cells was found to be independent of RIG- I and MDA5, but still depended on MAVS. Our study uncovered a novel mechanism by which arenaviruses alter the host cell's pro-apoptotic signaling pathway. This might represent a strategy arenaviruses developed to maintain this branch of the innate anti-viral defense in absence of type I IFN response. Taken together, these results allow a better understanding of the interaction of arenaviruses with the host cell's innate immunity, contributing to our knowledge about pathogenic properties of these important viruses. A better comprehension of arenavirus virulence may open new avenues for vaccine development and may suggest new antiviral targets for therapeutic intervention against arenavirus infections. - Les arenavirus sont des virus enveloppés à ARN simple brin qui comportent un grand nombre de pathogènes humains. Le pathogène humain le plus important parmi les arenavirus est le virus de Lassa qui est endémique en Afrique de l'Ouest, du Sénégal au Cameroun. Le virus de Lassa est l'agent étiologique d'une fièvre hémorragique sévère appelée fièvre de Lassa, et dont le taux de mortalité peut atteindre 30% chez les patients hospitalisés. L'une des caractéristiques principales des infections fatales à arenavirus chez l'Homme est l'absence de réponse immunitaire innée et adaptative. Dans la nature, les arenavirus sont hébergés par différentes espèces de rongeur, qui représentent à la fois les réservoirs naturels et les vecteurs de transmission des arenavirus. Dans leur hôte naturel, les arenavirus ont la capacité d'établir une infection persistante sans symptôme manifeste d'une quelconque pathologie. Nous pensons que la modulation de système immunitaire inné de la cellule hôte par les arenavirus est un paramètre clé pour la persistance au sein de l'hôte naturel, ainsi que pour la pathogenèse chez l'Homme. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'interaction des arenavirus avec deux branches essentielles de la défense antivirale innée de la cellule hôte, le système interféron (IFN) de type I et l'apoptose. La nucléoprotéine virale (NP) est responsable de l'activité anti-IFN des arenavirus. Plus spécifiquement, la NP bloque 1'activation et la translocation nucléaire du facteur de transcription IRF3 qui conduit à la production des IFNs de type I. La NP du virus de Lassa et celle du virus de la chorioméningite lymphocytaire (LCMV), l'arénavirus prototypique, possèdent dans leur extrémité C-terminale un domaine 3'-5' exoribonucléase qui a été associé à l'activité anti-IFN de ces protéines. Dans un premier projet, nous avons cherché à identifier des composants cellulaires de la cascade de signalisation induisant la production d'IFNs de type I qui pourraient être ciblés par la NP virale. Nos recherches ont révélé que la NP de LCMV empêche 1'activation d'IRF3 en bloquant la phosphorylation du facteur de transcription. Nous avons découvert que la NP de LCMV cible spécifiquement la kinase IKKe, et que cette interaction spécifique est conservée à travers la famille des Arenaviridae. Notre étude a aussi permis de démontrer que la NP de LCMV interagit avec le domaine kinase d'IKKe et que l'extrémité C-terminale de la NP est impliquée. Pour finir, nous avons pu établir que l'association avec la NP de LCMV inhibe l'activité kinase d'IKKe. Cette première étude présente la découverte d'un nouveau facteur cellulaire d'interaction avec la NP des arenavirus. Cette association pourrait jouer un rôle dans l'activité anti-IFN des arénavirus, mais aussi potentiellement dans d'autres aspects des infections à arénavirus. Pour le second projet, nous nous sommes intéressés à la capacité des arénavirus à éviter et/ou supprimer l'apoptose mitochondriale. En tant que virus persistants, les arénavirus ont évolué vers une stratégie de survie "hit and stay" pour laquelle l'apoptose de la cellule hôte serait néfaste. Nous avons observé qu'à aucun moment durant l'infection LCMV n'induit l'apoptose mitochondriale. Spécifiquement, aucune activité de caspase, aucune libération mitochondriale de cytochrome c ainsi qu'aucun clivage de la polymerase poly(ADP-ribose) (PARP) n'a été détecté pendant l'infection à LCMV. Il est intéressant de noter que l'apoptose mitochondriale induite par les virus reste parfaitement fonctionnelle dans les cellules infectées par LCMV, alors que l'induction de la réponse IFN de type I est bloquée dans les mêmes cellules. La production des IFNs de type I et l'apoptose mitochondriale induite par les virus dépendent toutes deux du récepteur de reconnaissance de motifs moléculaires RIG-I. Nous avons, par conséquent, investigué le rôle de RIG-I dans l'apoptose qui a lieu dans les cellules infectées par LCMV lorsqu'on les surinfecte avec un autre virus pro-apoptotique. En particulier, l'apoptose mitochondriale induite par les surinfections s'est révélée indépendante de RIG-I et MDA5, mais dépendante de MAVS dans les cellules précédemment infectées par LCMV. Notre étude démontre ainsi l'existence d'un nouveau mécanisme par lequel les arénavirus altèrent la cascade de signalisation pro-apoptotique de la cellule hôte. Il est possible que les arénavirus aient développé une stratégie permettant de maintenir fonctionnelle cette branche de la défense antivirale innée en l'absence de réponse IFN de type I. En conclusion, ces résultats nous amènent à mieux comprendre l'interaction des arénavirus avec l'immunité innée de la cellule hôte, ce qui contribue aussi à améliorer notre connaissance des propriétés pathogéniques de ces virus. Une meilleure compréhension des facteurs de virulence des arénavirus permet, d'une part, le développement de vaccins et peut, d'autre part, servir de base pour la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques utilisées dans le traitement des infections à arénavirus.

Molecular Mechanisms of Acute Brain Injury and Ensuing Neurodegeneration

Injury to the central nervous system (CNS), including stroke, traumatic brain injury andspinal cord injury, cause devastating and irreversible damage and loss of function. Forexample, stroke affects very large patient populations, results in major suffering for the patients and their relatives, and involves a significant cost to society. CNS damage implies disruption of the intricate internal circuits involved in cognition, the sensory-motor functions, and other important functions. There are currently no treatments available to properly restore such lost functions. New therapeutic proposals will emerge from an understanding of the interdependence of molecular and cellular responses to CNS injury, in particular the inhibitory mechanisms that block regeneration and those that enhanceneuronal plasticity...

MOLECULAR MECHANISMS OF A ROOT SYSTEM TO SOIL ADAPTATION

Contrairement aux animaux, les plantes sont des organismes sessiles qui ne possèdent pas de mécanismes de fuite quand les conditions environnementales ne sont plus optimales. Les plantes sont physiquement ancrées à l'endroit où elles ont germées et aux conditions environnementales qui parfois peuvent être extrêmes. Les possibilités d'acclimatation de différentes espèces, parfois même de groupes de plantes au sein d'une même espèce, peuvent varier mais repose sur une adaptation génétique de la plante. L'adaptation est un long processus qui repose sur l'apparition spontanée de mutations génétiques, leur mise à l'épreuve face aux conditions environnementales, et dans le cas où la mutation a un impact positif sur la survie dans cet habitat particulier, elle sera maintenue dans une population donnée de plantes. De telles populations, appelées écotypes, sont le matériel de départ pour la découverte de gènes qui induisent un bénéfice pour la plante dans un environnement donné. La plante la plus étudiée en biologie moléculaire est Arabidopsis thaliana, l'arabette des prés. Dans une étude précédente, les racines d'écotypes naturels d'Arabidopsis ont été comparées et un écotype, Uk-1, avait le système racinaire le plus particulier. Cet écotype possède des racines beaucoup plus courtes et plus ramifiées que tous les autres écotypes. Des analyses plus poussées ont montré qu'une seule mutation dans un gène était la cause de ce phénotype, le gène BREVIS RADIX (BRX), mot latin signifiant 'racine courte'. Bien que l'on connaisse le gène BRX, on connaît finalement peu de choses sur son importance adaptative. Dans cette étude, nous avons montré que la mutation dans le gène BRX rend la plante plus résistante aux sols acides. Dans l'optique de mieux comprendre cette valeur adaptative du mutant brx, nous avons analysé dans quels tissus le gène BRX jouait un rôle important. Nous avons pu mettre en évidence que BRX est important pour le développement du protophloème. Le protophloème est un élément du système vasculaire de la plante. En général, les plantes supérieures possèdent deux systèmes de transport à longue distance. L'un d'eux, appelé xylème, transporte l'eau et les nutriments absorbés du sol par les racines vers les feuilles. Les feuilles sont le siège du processus de photosynthèse au cours duquel sont produits des sucres qui devront être distribués partout dans les autres parties de la plante. Le tissu cellulaire chargé de livrer les produits de la photosynthèse, ainsi que les régulateurs de croissance, est le phloème. Ce dernier regroupe le métaphloème et le protophloème. Le protophloème est essentiel pour la livraison des sucres synthétisés ainsi que des signaux de croissance aux pointes des racines, centres organogéniques responsables de la production de nouvelles cellules durant la phase de croissance de la racine. La structure du protophloème peut être décrite comme des tubes continus, vides et résistants, faits de cellules spécialisées qui permettent un transport efficace et rapide. Nous avons montré que dans les mutants brx ces canaux de transports sont discontinus car certaines cellules n'ont pas terminé leur cycle de différenciation. Ces cellules obstruent le conduit ce qui fait que les sucres et les signaux de croissance, comme l'auxine, ne peuvent plus être transportés aux méristèmes. En conséquence, la prolifération de l'activité des méristèmes est compromise, ce qui explique les racines courtes. Au lieu d'être délivré aux méristèmes, l'auxine se concentre en amont des méristèmes où cela provoque l'apparition de nouvelles racines branchées et, très probablement, l'activation des pompes à protons. Sur des sols acides, la concentration en ion H+ est très élevée. Ces ions entrent dans les cellules de la racine par diffusion et perturbent notablement la croissance des racines et de la plante en général. Si les cellules de la racine possédaient des pompes à protons hyperactives, elles seraient capable d'évacuer le surplus d'ions H+ en dehors de la cellule, ce qui leur assurerait de meilleures chances de survie sur sols acides. De fait, le mutant brx est capable d'acidifier le milieu de culture dans lequel il est cultivé plus efficacement que la plante sauvage. Ce mutant est également capable de donner plus de progéniture sur ce type de milieu de croissance que les plantes sauvages. Finalement, nous avons trouvé d'autres mutants brx en milieu naturel poussant sur sols acides, ce qui suggère fortement que la mutation du gène BRX est une des causes de l'adaptation aux sols acides. -- Plants as sessile organisms have developed different mechanisms to cope with the complex environmental conditions in which they live. Adaptation is the process through which traits evolve by natural selection to functionally improve in a given environmental context. An adaptation to the environment is characterized by the genetic changes in the entire populations that have been fixed by natural selection over many generations. BREVIS RADIX (BRX) gene was found through natural Arabidopsis accessions screen and was characterized as a root growth regulator since loss-of-function mutants exhibit arrested post-embryonic primary root growth in addition to a more branched root system. Although brx loss-of-function causes a complete alteration in root architecture, BRX activity is only required in the root vasculature, in particular in protophloem cell file. Protophloem is a part of the phloem transport network and is responsible for delivery of photo-assimilates and growth regulators, coming from the shoot through mature phloem component - metaphloem, to the all plant primary meristems. In order to perform its function, protophloem is the first cell file to differentiate within the root meristem. During this process, protophloem cells undergo a partial programmed cell death, during which they build a thicker cell wall, degrade nucleus and tonoplast while plasma membrane stays functional. Interestingly, protophloem cells enter elongation process only after differentiation into sieve elements is completed. Here we show that brx mutants fail to differentiate protophloem cell file properly, a phenotype that can be distinguished by a presence of a "gap" cells, non-differentiated cells between two flanking differentiated cells. Discontinuity of protophloem differentiation in brx mutants is considered to be a consequence of local hyperactivity of CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3) signaling module. Interestingly, a CLE45 activity, most probably at the level of receptor binding, can be modulated by apoplastic pH. Altogether, our results imply that the activity of proton pumps, expressed in non-differentiated cells of protophloem, must be maintained under certain threshold, otherwise CLE45-BAM3 signaling pathway will be stimulated and in turn protophloem will not differentiate. Based on vacuolar morphology, a premature cell wall acidification in brx mutants stochastically prevents the protophloem differentiation. Only after protophloem differentiates, proton pumps can be activated in order to acidify apoplast and to support enucleated protophloem multifold elongation driven by surrounding cells growth. Finally, the protophloem differentiation failure would result in an auxin "traffic jam" in the upper parts of the root, created from the phloem-transported auxin that cannot be efficiently delivered to the meristem. Physiologically, auxin "leakage" from the plant vasculature network could have various consequences, since auxin is involved in the regulation of almost every aspect of plant growth and development. Thus, given that auxin stimulates lateral roots initiation and growth, this scenario explains more branched brx root system. Nevertheless, auxin is considered to activate plasma membrane proton pumps. Along with this, it has been shown that brx mutants acidify media much more than the wild type plants do, a trait that was proposed as an adaptive feature of naturally occurring brx null alleles in Arabidopsis populations found on acidic soils. Additionally, in our study we found that most of accessions originally collected from acidic sampling sites exhibit hypersensitivity to CLE45 treatment. This implies that adaptation of plants to acidic soil involves a positive selection pressure against upstream negative regulators of CLE45-BAM3 signaling, such as BRX. Perspective analysis of these accessions would provide more profound understanding of molecular mechanisms underlying plant adaptation to acidic soils. All these results are suggesting that targeting of the factors that affect protophloem differentiation is a good strategy of natural selection to change the root architecture and to develop an adaptation to a certain environment. -- Les plantes comme organismes sessiles ont développé différents mécanismes pour s'adapter aux conditions environnementales complexes dans lesquelles elles vivent. L'adaptation est le processus par lequel des traits vont évoluer via la sélection naturelle vers une amélioration fonctionnelle dans un contexte environnemental donné. Une adaptation à l'environnement est caractérisée par des changements génétiques dans des populations entières qui ont été fixés par la sélection naturelle sur plusieurs générations. Le gène BREVIS RADIX (BRX) a été identifié dans le crible d'une collection d'accessions naturelles d'Arabidopsis et a été caractérisé comme un régulateur de la croissance racinaire étant donné que le mutant perte-de-fonction montre une croissance racinaire primaire arrêtée au stade post-embryonnaire et présente de plus un système racinaire plus ramifié que la plante sauvage. Bien que le mutant perte-de-fonction brx cause une altération complète de l'architecture racinaire, l'activité de BRX n'est requise que dans la vascularisation racinaire, en particulier au niveau du protophloème. Le protophloème est un composant du réseau de transport du phloème et est responsable du transit des dérivés de la photosynthèse ainsi que des régulateurs de croissances, venant de la partie aérienne par le phloème mature (métaphloème) vers tous les méristèmes primaires de la plante. Pour pouvoir réaliser sa fonction, le protophloème est la première file de cellules à se différencier à l'intérieur du méristème de la racine. Pendant ce processus, les cellules du protophloème subissent une mort cellulaire programmée partielle durant laquelle elles épaississent leur paroi cellulaire, dégradent le noyau et le tonoplaste tandis que la membrane plasmique demeure fonctionnelle. De manière intéressante, les cellules du protophloème entament le processus d'allongement seulement après que la différenciation en tubes criblés soit complète. Ce travail montre que le mutant brx est incapable de mener à bien la différenciation de la file de cellules du protophloème, phénotype qui peut être visualisé par la présence de cellules 'trous', de cellules non différenciées entourées de deux cellules différenciées. La discontinuité de la différenciation du phloème dans le mutant brx est considérée comme la conséquence de l'hyperactivité localisée du module de signalisation CLA VA TA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3). De manière intéressante, l'activité de CLE45, très probablement au niveau de la liaison avec le récepteur, peut être modulé par le pH apoplastique. Pris ensemble, nos résultats impliquent que l'activité des pompes à protons, actives dans les cellules non différenciées du protophloème, doit être maintenue en dessous d'un certain seuil autrement la cascade de signalisation CLE45-BAM3 serait stimulée, en conséquence de quoi le protophloème ne pourrait se différencier. D'après la morphologie vacuolaire, une acidification prématurée de la paroi cellulaire dans le mutant brx empêche la différenciation du protophloème de manière stochastique. Une fois que le protophloème se différencie, les pompes à protons peuvent alors être activées afin d'acidifier l'apoplaste et ainsi faciliter l'allongement des cellules énuclées du protophloème, entraînées par la croissance des cellules environnantes. Finalement, la différenciation défectueuse du protophloème produit une accumulation d'auxine dans la partie supérieure de la racine car le phloème ne peut plus acheminer efficacement l'auxine au méristème. Physiologiquement, la 'fuite' d'auxine à partir du réseau vasculaire de la plante peut avoir des conséquences variées puisque l'auxine est impliquée dans la régulation de la majorité des aspects de la croissance et développement de la plante. Etant donné que l'auxine stimule l'initiation et développement des racines latérales, ce scénario pourrait expliquer le système racinaire plus ramifié du mutant brx. En plus, l'auxine est considérée comme un activateur des pompes à protons. Par ailleurs, nous avons montré que les mutants brx ont la capacité d'acidifier le milieu plus efficacement que les plantes sauvages, une caractéristique des populations sauvages <¥Arabidopsis poussant sur des sols acides et contenant les allèles délétés brx. De plus, dans nos résultats nous avons mis en évidence que la plupart des accessions collectées originellement sur des sites acidophiles montre une hypersensibilité au traitement par CLE45. Ceci implique que l'adaptation des plantes aux sols acides repose sur la pression de sélection positive à rencontre des régulateurs négatifs de CLE45- BAM3, situés en amont de la cascade, tel le produit du gène BRX. Les analyses de ces accessions pourraient aboutir à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires responsables de l'adaptation des plantes aux sols acides. Tous nos résultats suggèrent que le ciblage des facteurs affectant la différenciation du protophloème serait une stratégie gagnante dans la sélection naturelle pour changer l'architecture de la racine et ainsi s'adapter efficacement à un nouvel environnement.

Complex molecular mechanisms cooperate to mediate histone deacetylase inhibitors anti-tumour activity in neuroblastoma cells

BACKGROUND: Histone deacetylase inhibitors (HDACi) are a new class of promising anti-tumour agent inhibiting cell proliferation and survival in tumour cells with very low toxicity toward normal cells. Neuroblastoma (NB) is the second most common solid tumour in children still associated with poor outcome in higher stages and, thus NB strongly requires novel treatment modalities. RESULTS: We show here that the HDACi Sodium Butyrate (NaB), suberoylanilide hydroxamic acid (SAHA) and Trichostatin A (TSA) strongly reduce NB cells viability. The anti-tumour activity of these HDACi involved the induction of cell cycle arrest in the G2/M phase, followed by the activation of the intrinsic apoptotic pathway, via the activation of the caspases cascade. Moreover, HDACi mediated the activation of the pro-apoptotic proteins Bid and BimEL and the inactivation of the anti-apoptotic proteins XIAP, Bcl-xL, RIP and survivin, that further enhanced the apoptotic signal. Interestingly, the activity of these apoptosis regulators was modulated by several different mechanisms, either by caspases dependent proteolytic cleavage or by degradation via the proteasome pathway. In addition, HDACi strongly impaired the hypoxia-induced secretion of VEGF by NB cells. CONCLUSION: HDACi are therefore interesting new anti-tumour agents for targeting highly malignant tumours such as NB, as these agents display a strong toxicity toward aggressive NB cells and they may possibly reduce angiogenesis by decreasing VEGF production by NB cells.

Characterization of the molecular mechanisms of insulin exocytosis and of their adaptation to physiopathological conditions

Résumé large public Le glucose est une source d'énergie essentielle pour notre organisme, indispensable pour le bon fonctionnement des cellules de notre corps. Les cellules β du pancréas sont chargées de réguler l'utilisation du glucose et de maintenir la glycémie (taux de glucose dans le sang) à un niveau constant. Lorsque la glycémie augmente, ces dernières sécrètent l'insuline, une hormone favorisant l'absorption, l'utilisation et le stockage du glucose. Une sécrétion insuffisante d'insuline provoque une élévation anormale du taux de glucose dans le sang (hyperglycémie) et peut mener au développement du diabète sucré. L'insuline est sécrétée dans le sang par un mécanisme particulier appelé exocytose. Une meilleure compréhension de ce mécanisme est nécessaire dans l'espoir de trouver des nouvelles thérapies pour traiter les 170 millions de personnes atteintes de diabète sucré à travers le monde. L'implication de diverses protéines, comme les SNAREs ou Rabs a déjà été démontrée. Cependant leurs mécanismes d'action restent, à ce jour, peu compris. De plus, l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des conditions physiopathologiques, comme l'hyperglycémie, est encore à élucider. Le but de mon travail de thèse a été de clarifier le rôle de deux protéines, Noc2 et Tomosyn, dans l'exocytose ; puis de déterminer les effets d'une exposition prolongée à un taux élevé de glucose sur l'ensemble des protéines de la machinerie d'exocytose. Noc2 est un partenaire potentiel de deux Rabs connues pour leur implication dans les dernières étapes de l'exocytose, Rab3 et Rab27. Grâce à l'étude de différents mutants de Noc2, j'ai montré que l'interaction avec Rab27 permet à la protéine de s'associer avec les organelles de la cellule β contenant l'insuline. De plus, en diminuant sélectivement l'expression de Noc2, j'ai déterminé l'importance de cette protéine pour le bon fonctionnement du processus d'exocytose et le relâchement de l'insuline. Quant à Tomosyn, une protéine interagissant avec les protéines SNAREs, j'ai démontré son importance dans la sécrétion d'insuline en diminuant de manière sélective son expression dans les cellules β. Ensuite, grâce à une combinaison d'approches moléculaires et de microscopie, j'ai mis en évidence le rôle de Tomosyn dans les dernières étapes de l'exocytose. Enfin, puisque la sécrétion d'insuline est diminuée lors d'une hyperglycémie prolongée, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à ces conditions. Ceci m'a permis de découvrir que l'expression de quatre protéines essentielles pour le processus d'exocytose, Noc2, Rab3, Rab27 et Granuphilin, est fortement diminuée lors d'une hyperglycémie chronique. L'ensemble de ces données met en évidence l'importance de Noc2 et Tomosyn dans la sécrétion d'insuline. L'inhibition, par un taux élevé de glucose, de l'expression de Noc2 et d'autres protéines indispensables pour l'exocytose suggère que ce phénomène pourrait contribuer au développement du diabète sucré. Résumé L'exocytose d'insuline, en réponse au glucose circulant dans le sang, est la fonction principale de la cellule β. Celle-ci permet de stabiliser le taux de glucose sanguin (glycémie). Le diabète de type 2 est caractérisé par une glycémie élevée due, principalement, à un défaut de sécrétion d'insuline en réponse au glucose. La compréhension des mécanismes qui contrôlent l'exocytose d'insuline est essentielle pour clarifier les causes du diabète sucré. Plusieurs composants impliqués dans ce processus ont été identifiés. Ceux-ci incluent les SNAREs Syntaxin-1, VAMP2 et SNAP25 et les GTPases Rab3 et Rab27 qui jouent un rôle dans les dernières étapes de l'exocytose. Pendant mon travail de thèse, j'ai étudié le rôle de Noc2, un des partenaires de Rab3 et Rab27, dans l'exocytose d'insuline. Nous avons déterminé que Noc2 s'associe aux granules de sécrétion d'insuline grâce à son interaction avec Rab27. La diminution de l'expression de Noc2 dans la lignée cellulaire β INS-1E, par ARN interférence, influence négativement la sécrétion d'insuline stimulée par différents sécrétagogues et prouve que cette protéine Noc2 est essentielle pour l'exocytose d'insuline. L'interaction avec Munc13, une protéine impliquée dans l'arrimage des vésicules, suggère que Noc2 participe au recrutement des granules d'insuline à la membrane plasmique. Ensuite, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des concentrations supraphysiologiques de glucose. Le niveau d'expression de Rab3 et Rab27 et de leurs effecteurs Granuphilin/S1p4 et Noc2 est fortement diminué par une exposition prolongée des cellules β à haut glucose. L'effet observé est en relation avec l'induction de l'expression de ICER, un facteur de transcription surexprimé dans des conditions d'hyperglycémie et également dans des modèles génétiques de diabète de type 2. La surexpression de ICER dans des cellules INS-1E diminue l'expression de Rab3, Rab27, Granuphilin/Slp4 et Noc2 et par conséquent l'exocytose d'insuline. Ainsi, l'induction de ICER, après une exposition prolongée à haut glucose, régule négativement l'expression de protéines essentielles pour l'exocytose et altère la sécrétion d'insuline. Ce mécanisme pourrait contribuer au dysfonctionnement de l'exocytose d'insuline dans le diabète de type 2. Dans la dernière partie de ma thèse, j'ai investigué le rôle de la protéine Tomosyn-1 dans la formation du complexe SNARE. Cette protéine a une forte affinité pour Syntaxin-1 et contient un domaine SNARE. Tomosyn-1 est concentrée dans les régions cellulaires enrichies en granules de sécrétion. La diminution sélective de l'expression de Tomosyn-1 induit une réduction de l'exocytose stimulée par différents sécrétagogues. Cet effet est dû à un défaut de fusion des granules avec la membrane plasmique. Ceci nous indique que Tomosyn-1 intervient dans une phase importante de la préparation des vésicules à la fusion, qui est nécessaire à l'exocytose. Abstract: Insulin exocytosis from pancreatic β-cells plays a central role in blood glucose homeostasis. Diabetes mellitus is a complex metabolic disorder characterized by secretory dysfunctions in pancreatic β-cells and release of amounts of insulin that are inappropriate to maintain blood glucose concentration within normal physiological ranges. To define the causes of β-cell failure a basic understanding of the molecular mechanisms that control insulin exocytosis is essential. Some of the molecular components involved in this process have been identified, including the SNARE proteins VAMP2, Syntaxin-1 and SNAP25 and the two GTPases, Rab3 and Rab27, that regulate the final steps of insulin secretion. I first investigated the role of Noc2, a potential Rab3 and Rab27 partner, in insulin secretion. I found that Noc2 associates with Rab27 and is recruited by this GTPase on insulin- containing granules. Silencing of the Noc2 gene by RNA interference led to a strong impairment in the capacity of the β-cell line INS-1E to respond to secretagogues, indicating that appropriate levels of the protein are essential for insulin exocytosis. I also showed that Noc2 interacts with Munc13, a protein that controls vesicle priming, suggesting a possible involvement of Noc2 in the recruitment of secretory granules at the plasma membrane. In the second part of my thesis, I investigated the adaptation of the molecular machinery of exocytosis to physiopathological conditions. I found that the expression of Rab3, Rab27 and of their effectors Granuphilin/Slp4 and Noc2 is dramatically decreased by chronic exposure of β-ce1ls to supraphysiological glucose levels. The observed glucotoxic effect is a consequence of the induction of ICER, a transcriptional repressor that is increased by prolonged hyperglycemia and in genetic models of type 2 diabetes. Overexpression of ICER reduced Granuphilin, Noc2, Rab3 and Rab27 levels and inhibited exocytosis. These results suggest that the presence of inappropriate levels of ICER diminishes the expression of a group of proteins essential for exocytosis and contributes to defective insulin release in type 2 diabetes. In the last part of my thesis, I focused my attention on the role of Tomosyn-1, a Syntaxin-1 binding protein possessing a SNARE-like motif, in the control of SNARE complex assembly. I found that Tomosyn-1 is concentrated in cellular compartments enriched in insulin-containing secretory granules. Silencing of Tomosyn-1 did not affect the number of secretory granules docked at the plasma membrane but decreased their release probability, resulting in a reduction in stimulus-induced insulin exocytosis. These findings suggest that Tomosyn-1 is involved in a post-docking event that prepares secretory granules for fusion and is necessary to sustain exocytosis in response to insulin secretagogues.

Persistent Candida albicans colonization and molecular mechanisms of azole resistance in autoimmune polyendocrinopathy-candidiasis-ectodermal dystrophy (APECED) patients.

Objectives: Patients with autoimmune polyendocrinopathy-candidiasis-ectodermal dystrophy (APECED, APS-I) suffer from chronic candidosis caused mainly by Candida albicans, and repeated courses of azole antifungals have led to the development of resistance in the APECED patient population in Finland. The aim of our study was to address whether the patients are persistently colonized with the same or genetically closely related strains, whether epidemic strains are present and which molecular mechanisms account for azole resistance. Methods: Sets of C. albicans (n?=?19) isolates from nine APECED patients reported with decreased susceptibility to fluconazole isolated up to 9 years apart were included. The strains were typed by multilocus sequence typing. CDR1/2, MDR1 and ERG11 mRNA expression was analysed by northern blotting and Cdr1, Cdr2 and Mdr1 protein expression by western blotting, and TAC1 and ERG11 genes were sequenced. Results: All seven patients with multiple C. albicans isolates analysed were persistently colonized with the same or a genetically closely related strain for a mean of 5 years. All patients were colonized with different strains and no epidemic strains were found. The major molecular mechanisms behind the azole resistance were mutations in TAC1 contributing to overexpression of CDR1 and CDR2. Six new TAC1 mutations were found, one of which (N740S) is likely to be a gain-of-function mutation. Most isolates were found to have gained multiple TAC1 and ERG11 point mutations. Conclusions: Despite clinically successful treatment leading to relief of symptoms, colonization by C. albicans strains is persistent within APECED patients. Microevolution and point mutations occur within strains, leading to the development of azole-resistant isolates.

Molecular mechanisms of follicular associated epithelium differentiation

Les muqueuses respiratoires, genitales et digestives sont continuellement exposées aux antigènes de l?alimentation, à la flore intestinale et aux pathogènes. Cela implique une activité immunologique intense et finement régulée dans ces tissus. On admet que la modulation de ces réponses immunitaires muqueuses s?effectue dans des organes sentinels spécifiques appelés o-MALT (organized mucosal associated lymphoid tissues). Ces processus de modulation et la biologie de ces sites immuno-inducteurs sont peu connus. Ceci est pourtant d?une grande relevance si l?on veut faire un design rationnel de drogues et de vaccins muqueux. Dans l?intestin grèle, ces organes sont composés de follicules multiples et sont appelés plaques de Peyer. Ils sont constitués de follicules enrichis en cellules B comprenant ou non un centre germinatif, de regions interfolliculaires comprenant des cellules T, et d?une région en d ome riche en cellules dendritiques, cellules B naives et cellules T CD4+, surmontée par un epithelium specialisé, le FAE (epithelium associé aux follicules). Le FAE contient des cellules M spécialisées dans le transport de macromolécules et micro-organismes de la lumière intestinale au tissu lymphoide sous-jacent. Ce transport des antigènes est une condition obligatoire pour induire une réponse immunitaire. Les cellules du FAE, outre les cellules M, expriment un programme de différenciation distinct de celui des cellules associées aux villosités. Ceci est characterisé par une baisse des fonctions digestives et de défenses, et l?expression constitutive des chimiokines: CCL20 et CCL25. Le but de l?étude présentée ici est de rechercher les facteurs cellulaires et/ou moléculaire responsables de cette différenciation. Certaines études ont démontré l?importance du contact entre le compartiment mésenchymateux et l?épithelium pour la morphogenèse de ce dernier. En particulier, les molécules de la matrice extracellulaire peuvent activer des gènes clefs qui, à leur tour, vont controler l?adhésion et la differenciation cellulaire. Dans l?intestin, les cellules mésenchymateuses différencient en myofibroblastes qui participent à l?élaboration de la matrice extracellulaire. Dans cette étude, nous avons décrit les différences d?expression de molécules de la matrices sous le FAE et les villosités. Nous avons également montré une absence de myofibroblastes sous le FAE. Suite à plusieurs évidences expérimentales, certains ont proposé une influence des composés présents dans la lumière sur la différenciation et/ou la maturation des plaques de Peyer. La chimiokine CCL20, capable de recruter des cellules initiatrices de la réponse immunitaire, constitue notre seul marqueur positif de FAE. Nous avons pu montrer que la flagelline, un composé du flagelle bactérien, était capable d?induire l?expression de CCL20 in vitro et in vivo. Cet effet n?est pas limité aux cellules du FAE mais est observé sur l?ensemble de l?épithelium intestinal. Molecular mechanisms of FAE differenciation. La signalement induit par la lymphotoxine ß est critique pour l?organogenèse des plaques de Peyer, car des souris déficientes pour cette molécules ou son récepteur n?ont ni plaque de Peyer, ni la plupart des ganglions lymphatiques. Nous avons obtenus plusieurs évidences que la lymphotoxine ß était impliquée dans la régulation du gène CCL20 in vitro et in vivo.<br/><br/>Mucosal surfaces of the respiratory, genital and digestive systems are exposed to food antigens, normal bacterial flora and oral pathogens. This justifies an intense and tuned immunological activity in mucosal tissues. The modulation of immune responses in the mucosa is thought to occur in specific sentinel sites, the organized mucosa associated lymphoid tissues (o-MALT). This immune modulation and the biology of these immune-inductive sites are poorly understood but highly important and relevant in the case of drugs and vaccines design. In the small intestine, these organs (gut associated lymphoid tissue : GALT) consists of single or multiple lymphoid follicles, the so-called Peyer?s patches (PP), with typical B cell-enriched follicles and germinal centers, inter-follicular T cell areas, and a dome region enriched in dendritic cells, naive B cells, and CD4+ T cells under a specialized follicle associated epithelium (FAE). To trigger protective immunity, antigens have to cross the mucosal epithelial barrier. This is achieved by the specialized epithelial M cells of the FAE that are able to take up and transport macromolecules and microorganisms from the environment into the underlying organized lymphoid tissue. The ontogeny of M cells remains controversial: some data are in favor of a distinct cell lineage, while others provide evidence for the conversion of differentiated enterocytes into M cells. In this study we mapped the proliferative, M cells and apoptotic compartments along the FAE. Enterocytes acquire transient M cell features as they leave the crypt and regain enterocyte properties as they move towards the apoptotic compartment at the apex of the FAE, favouring the hypothesis of a plastic phenotype. The follicle-associated epithelium (FAE) is found exclusively over lymphoid follicles in mucosal tissues, including Peyer?s patches. The enterocytes over Peyer?s patches express a distinct phenotype when compared to the villi enterocytes, characterized by the down regulation of digestive and defense functions and the constitutive expression of chemokines, i.e. CCL20 and CCL25. The purpose of this study was to investigate and identify the potential cells and/or molecules instructing FAE differentiation. Contact between the epithelial and the mesenchymal cell compartment is required for gut morphogenesis. Extracellular matrix molecules (ECM) can activate key regulatory genes which in turn control cell adhesion and differentiation. In the gut, mesenchymal cells differentiate into myofibroblats that participate to the elaboration of ECM. We have described a differential expression of extracellular matrix components under the FAE, correlating with the absence of subepithelial myofibroblats. Molecular mechanisms of FAE differenciation. Different studies proposed an influence of the luminal compartment in the differentiation and/or the maturation of PP. CCL20, a chemokine able to recruit cells that initiate adaptive immunity constitutes our first positive FAE molecular marker. We have shown that CCL20 gene expression is inducible in vitro and in vivo in intestinal epithelium by flagellin, a component of bacterial flagella. This effect was not restricted to the FAE. Lymphotoxin ß (LTß) signaling is critical for PPs organogenesis as LT deficient mice as well as LTß-receptor-/- mice lack PPs and most of the lymph nodes (LN). The continuous signaling via LTßR-expressing cells appears necessary for the maintenance throughout the life of PP architecture. We obtained in vitro and in vivo evidence that LTß signalling is involved in CCL20 gene expression.

Manipulation of arthropod sex determination by endosymbionts: diversity and molecular mechanisms.

Arthropods exhibit a large variety of sex determination systems both at the chromosomal and molecular level. Male heterogamety, female heterogamety, and haplodiploidy occur frequently, but partially different genes are involved. Endosymbionts, such as Wolbachia, Cardinium,Rickettsia, and Spiroplasma, can manipulate host reproduction and sex determination. Four major reproductive manipulation types are distinguished: cytoplasmic incompatibility, thelytokous parthenogenesis, male killing, and feminization. In this review, the effects of these manipulation types and how they interfere with arthropod sex determination in terms of host developmental timing, alteration of sex determination, and modification of sexual differentiation pathways are summarized. Transitions between different manipulation types occur frequently which suggests that they are based on similar molecular processes. It is also discussed how mechanisms of reproductive manipulation and host sex determination can be informative on each other, with a special focus on haplodiploidy. Future directions on how the study of endosymbiotic manipulation of host reproduction can be key to further studies of arthropod sex determination are shown.

Impact of T cell receptor affinity on the molecular mechanisms modulating CD8 T cell signalling and function against NY-ESO-1 tumour antigen

It is well established that cytotoxic T lymphocytes play a pivotal role in the protection against intracellular pathogens and tumour cells. Such protective immune responses rely on the specific T cell receptor (TCR)-mediated recognition by CD8 T cells of small antigenic peptides presented in the context of class-I Major Histocompatibility Complex molecules (pMHCs) on the surface of infected or malignant cells. The strength (affinity/avidity) of this interaction is a major correlate of protection. Although tumour-reactive CD8 T cells can be observed in cancer patients, anti-tumour immune responses are often ineffective in controlling or eradicating the disease due to the relative low TCR affinity of these cells. To overcome this limitation, tumour-specific CD8 T cells can be genetically modified to express TCRs of improved binding strength against a defined tumour antigen before adoptive cell transfer into cancer patients. We previously generated a panel of TCRs specific for the cancer-testis antigen NY-ESO-l,57.165 with progressively increased affinities for the pMHC complex, thus providing us with a unique tool to investigate the causal link between the surface expression of such TCRs and T cell activation and function. We recently demonstrated that anti-tumour CD8 T cell reactivity could only be improved within physiological affinity limits, beyond which drastic functional declines were observed, suggesting the presence of multiple regulatory mechanisms limiting T cell activation and function in a TCR affinity-dependent manner. The overarching goal of this thesis was (i) to assess the precise impact of TCR affinity on T cell activation and signalling at the molecular level and (ii) to gain further insights on the mechanisms that regulate and delimitate maximal/optimized CD8 T cell activation and signalling. Specifically, by combining several technical approaches we characterized the activation status of proximal (i.e. CD3Ç, Lek, and ZAP-70) and distal (i.e. ERK1/2) signalling molecules along the TCR affinity gradient. Moreover, we assessed the extent of TCR downmodulation, a critical step for initial T cell activation. CD8 T cells engineered with the optimal TCR affinity variants showed increased activation levels of both proximal and distal signalling molecules when compared to the wild-type T cells. Our analyses also highlighted the "paradoxical" status of tumour-reactive CD8 T cells bearing very high TCR affinities, which retained strong proximal signalling capacity and TCR downmodulation, but were unable to propagate signalling distally (i.e. pERKl/2), resulting in impaired cell-mediated functions. Importantly, these very high affinity T cells displayed maximal levels of SHP-1 and SHP-2 phosphatases, two negative regulatory molecules, and this correlated with a partial pERKl/2 signalling recovery upon pharmacological SHP-l/SHP-2 inhibition. These findings revealed the putative presence of inhibitory regulators of the TCR signalling cascade acting very rapidly following tumour-specific stimulation. Moreover, the very high affinity T cells were only able to transiently express enhanced proximal signalling molecules, suggesting the presence of an additional level of regulation that operates through the activation of negative feedback loops over time, limiting the duration of the TCR-mediated signalling. Overall, the determination of TCR-pMHC binding parameters eliciting optimal CD8 T cell activation, signalling, and effector function while guaranteeing high antigen specificity, together with the identification of critical regulatory mechanisms acting proximally in the TCR signalling cascade, will directly contribute to optimize and support the development of future TCR-based adoptive T cell strategies for the treatment of malignant diseases. -- Les lymphocytes T CD8 cytotoxiques jouent un rôle prédominant dans la protection contre les pathogènes intracellulaires et les cellules tumorales. Ces réponses immunitaires dépendent de la spécificité avec laquelle les récepteurs T (TCR) des lymphocytes CD8 reconnaissent les peptides antigéniques présentés par les molécules du complexe Majeur de Histocompatibilité de classe I (pCMH) à la surface des cellules infectées ou malignes. La force (ou affinité/avidité) de l'interaction du TCR-pCMH est un corrélat majeur de protection. Les réponses immunitaires sont cependant souvent inefficaces et ne permettent pas de contrôler ou d'éliminer les cellules tumorales chez les patients atteint du cancer, et ce à cause de la relative faible reconnaissance des TCRs exprimés par les lymphocytes T CD8 envers les antigènes tumoraux. Afin de surmonter cette limitation, les cellules T anti-tumorales peuvent être génétiquement modifiées en les dotant de TCRs préalablement optimisés afin d'augmenter leur reconnaissance ou affinité contre les antigènes tumoraux, avant leur ré¬infusion dans le patient. Nous avons récemment généré des cellules T CD8 exprimant un panel de TCRs spécifiques pour l'antigène tumoral NY-ESO-l157.16J avec des affinités croissantes, permettant ainsi d'investiguer la causalité directe entre l'affinité du TCR-pCMH et la fonction des cellules T CD8. Nous avons démontré que la réactivité anti-tumorale pouvait être améliorée en augmentant l'affinité du TCR dans une intervalle physiologique, mais au delà duquel nous observons un important déclin fonctionnel. Ces résultats suggèrent la présence de mécanismes de régulation limitant l'activation des cellules T de manière dépendante de l'affinité du TCR. Le but de cette thèse a été (i) de définir l'impact précis de l'affinité du TCR sur l'activation et la signalisation des cellules T CD8 au niveau moléculaire et (ii) d'acquérir de nouvelles connaissances sur les mécanismes qui régulent et délimitent l'activation et la signalisation maximale des cellules T CD8 optimisées. Spécifiquement, en combinant plusieurs approches technologiques, nous avons caractérisé l'état d'activation de différentes protéines de la voie de signalisation proximale (CD3Ç, Lek et ZAP-70) et distale (ERK1/2) le long du gradient d'affinité du TCR, ainsi que l'internalisation du TCR, une étape clef dans l'activation initiale des cellules T. Les lymphocytes T CD8 exprimant des TCRs d'affinité optimale ont montré des niveaux d'activation augmentés des molécules proximales et distales par rapport aux cellules de type sauvage (wild-type). Nos analyses ont également mis en évidence un paradoxe chez les cellules T CD8 équipées avec des TCRs de très haute affinité. En effet, ces cellules anti-tumorales sont capables d'activer leurs circuits biochimiques au niveau proximal et d'internaliser efficacement leur TCR, mais ne parviennent pas à propager les signaux biochimiques dépendants du TCR jusqu'au niveau distal (via phospho-ERKl/2), avec pour conséquence une limitation de leur capacité fonctionnelle. Finalement, nous avons démontré que SHP-1 et SHP-2, deux phosphatases avec des propriétés régulatrices négatives, étaient majoritairement exprimées dans les cellules T CD8 de très hautes affinités. Une récupération partielle des niveaux d'activation de ERK1/2 a pu être observée après l'inhibition pharmacologique de ces phosphatases. Ces découvertes révèlent la présence de régulateurs moléculaires qui inhibent le complexe de signalisation du TCR très rapidement après la stimulation anti-tumorale. De plus, les cellules T de très hautes affinités ne sont capables d'activer les molécules de la cascade de signalisation proximale que de manière transitoire, suggérant ainsi un second niveau de régulation via l'activation de mécanismes de rétroaction prenant place progressivement au cours du temps et limitant la durée de la signalisation dépendante du TCR. En résumé, la détermination des paramètres impliqués dans l'interaction du TCR-pCMH permettant l'activation de voies de signalisation et des fonctions effectrices optimales ainsi que l'identification des mécanismes de régulation au niveau proximal de la cascade de signalisation du TCR contribuent directement à l'optimisation et au développement de stratégies anti-tumorales basées sur l'ingénierie des TCRs pour le traitement des maladies malignes.

The molecular mechanisms and evolutionary significance of plumage colour variation in pied flycatchers (Ficedula hypoleuca)

A common feature of natural populations is that individuals differ in morphology, physiologyand behavior (i.e .phenotype). A thorough understanding of the molecular mechanisms and evolutionary forces behind this phenotypic variation is a prerequisite for understanding evolution.This thesis examines the molecular mechanism and the roles of the different evolutionary forces in plumage colour variation in pied flycatchers (Ficedulahypoleuca). Malepied flycatchers exhibit marked variation in both pigmentary and structural plumage colourand the trait has repeatedly been suggested to be of adaptive significance. An examination of plumage colour variation on reproductive output trevealed that structural colouration, and more specifically the degree of ultraviolet (UV) reflectance had an effect on number of young sired. Paternity analyses of breeding males revealed that males that had been cuckolded by their social mate tended to be less UV reflectant than males that had not been cuckolded.Neither pigment-based norstructural colouration was found to affect the probability of siring young in other nests. Phenotypic differentiation was found to be markedly greater than differentiation at neutralgenetic markers across the pied flycatcher breeding range. Furthermore patterns of differentiationin phenotypes and selectively neutral genes were not uniform. Outlier tests searching for genomic footprints of selection revealed elevated levels of genetic divergence in a gene associated with feather development (and thus potentially structural colouration) and ultraviolet vision. Th eobserved differentiation in allelic frequencies was particularly pronounced in the Spanish piedflycatcher populations. Examining gene expression during feather development indicated that the TYRP1 gene (known to be involved in the production of black pigment) may be relevant in generating phenotypic variation in pied flycatcher plumage. Also, energy homeostasis related genesfeatured prominently among the genes found to be expressed in one extreme phenotype but not the other. This is of particular interest in light of what is known about the pleiotropy ofthe melanocortin system which underlies brown-black pigment production. The melanocortinsystem is also associated with energy homeostasis (among a number of other physiological functions) and thus the results could be pointing to the signalling function of brown-blackplumage. Plumage colour variation in pied flycatchers, both structural and pigmentary, can thus beconcluded to be exhibiting signals of non-neutral evolution. Structural colouration was found to play a role in sexual selection and putative signals of selection were further detected in acandidate gene for this trait. Evidence for non-neutral evolution of pigmentary colouration was also detected. These findings, together with the fact that preliminary evidence for an energy balance associated signalling function for plumage was found, present good starting points for further investigations into the meaning and mechanisms of plumage colour variation in piedflycatchers.

Dissecting the molecular mechanisms of breast cancer bone metastasis for therapeutic targeting

Breast cancer that has metastasized to bone is currently an incurable disease, causing significant morbidity and mortality. The aim of this thesis work was to elucidate molecular mechanisms of bone metastasis and thereby gain insights into novel therapeutic approaches. First, we found that L‐serine biosynthesis genes, phosphoglycerate dehydrogenase (PHGDH), phosphoserine aminotransferase 1 (PSAT1) and phosphoserine phosphatase (PSPH), were up‐regulated in highly bone metastatic MDA‐MB‐231(SA) cells as compared with the parental breast cancer cell line. Knockdown of serine biosynthesis inhibited proliferation of MDA‐MB‐231(SA) cells, and L‐serine was essential for the formation of bone resorbing osteoclasts. Clinical data demonstrated that high expression of PHGDH and PSAT1 was associated with decreased relapse‐free and overall survival and with features typical of poor outcome in breast cancer. Second, RNA interference screening pointed out heparan sulfate 6‐O‐sulfotransferase 2 (HS6ST2) as a critical gene for transforming growth factor β (TGF‐β)‐induced interleukin 11 (IL‐11) production in MDA‐MB‐231(SA) cells. Exogenous heparan sulfate glycosaminoglycans heparin and K5‐NSOS also inhibited TGF‐β‐induced IL‐11 production in MDA‐MB‐231(SA) cells. Furthermore, K5‐NSOS decreased osteolytic lesion area and tumor burden in bone in mice. Third, we discovered that the microRNAs miR‐204, ‐211 and ‐379 inhibited IL‐11 expression in MDA‐MB‐231(SA) cells through direct targeting of the IL‐11 mRNA. MiR‐379 also inhibited Smad‐mediated signaling. Gene expression profiling of miR‐204 and ‐379 transfected cells indicated that these microRNAs down‐regulate several bone metastasis‐relevant genes, including prostaglandin‐endoperoxide synthase 2 (PTGS2). Taken together, this study identified three potential treatment strategies for bone metastatic breast cancer: inhibition of serine biosynthesis, heparan sulfate glycosaminoglycans and restoration of miR‐204/‐211/‐379.

Molecular Mechanisms and Interactions in Regulation of Photosynthetic Reactions

In photosynthesis, light energy is converted to chemical energy, which is consumed for carbon assimilation in the Calvin-Benson-Bassham (CBB) cycle. Intensive research has significantly advanced the understanding of how photosynthesis can survive in the ever-changing light conditions. However, precise details concerning the dynamic regulation of photosynthetic processes have remained elusive. The aim of my thesis was to specify some molecular mechanisms and interactions behind the regulation of photosynthetic reactions under environmental fluctuations. A genetic approach was employed, whereby Arabidopsis thaliana mutants deficient in specific photosynthetic protein components were subjected to adverse light conditions and assessed for functional deficiencies in the photosynthetic machinery. I examined three interconnected mechanisms: (i) auxiliary functions of PsbO1 and PsbO2 isoforms in the oxygen evolving complex of photosystem II (PSII), (ii) the regulatory function of PGR5 in photosynthetic electron transfer and (iii) the involvement of the Calcium Sensing Receptor CaS in photosynthetic performance. Analysis of photosynthetic properties in psbo1 and psbo2 mutants demonstrated that PSII is sensitive to light induced damage when PsbO2, rather than PsbO1, is present in the oxygen evolving complex. PsbO1 stabilizes PSII more efficiently compared to PsbO2 under light stress. However, PsbO2 shows a higher GTPase activity compared to PsbO1, and plants may partially compensate the lack of PsbO1 by increasing the rate of the PSII repair cycle. PGR5 proved vital in the protection of photosystem I (PSI) under fluctuating light conditions. Biophysical characterization of photosynthetic electron transfer reactions revealed that PGR5 regulates linear electron transfer by controlling proton motive force, which is crucial for the induction of the photoprotective non-photochemical quenching and the control of electron flow from PSII to PSI. I conclude that PGR5 controls linear electron transfer to protect PSI against light induced oxidative damage. I also found that PGR5 physically interacts with CaS, which is not needed for photoprotection of PSII or PSI in higher plants. Rather, transcript profiling and quantitative proteomic analysis suggested that CaS is functionally connected with the CBB cycle. This conclusion was supported by lowered amounts of specific calciumregulated CBB enzymes in cas mutant chloroplasts and by slow electron flow to PSI electron acceptors when leaves were reilluminated after an extended dark period. I propose that CaS is required for calcium regulation of the CBB cycle during periods of darkness. Moreover, CaS may also have a regulatory role in the activation of chloroplast ATPase. Through their diverse interactions, components of the photosynthetic machinery ensure optimization of light-driven electron transport and efficient basic production, while minimizing the harm caused by light induced photodamage.

Preeclampsia: from epidemiological observations to molecular mechanisms

Preeclampsia is the main cause of maternal mortality and is associated with a five-fold increase in perinatal mortality in developing countries. In spite of this, the etiology of preeclampsia is unknown. The present article analyzes the contradictory results of the use of calcium supplementation in the prevention of preeclampsia, and tries to give an explanation of these results. The proposal of an integrative model to explain the clinical manifestations of preeclampsia is discussed. In this proposal we suggest that preeclampsia is caused by nutritional, environmental and genetic factors that lead to the creation of an imbalance between the free radicals nitric oxide, superoxide and peroxynitrate in the vascular endothelium. The adequate interpretation of this model would allow us to understand that the best way of preventing preeclampsia is the establishment of an adequate prenatal control system involving adequate antioxidant vitamin and mineral supplementation, adequate diagnosis and early treatment of asymptomatic urinary and vaginal infections. The role of infection in the genesis of preeclampsia needs to be studied in depth because it may involve a fundamental change in the prevention and treatment of preeclampsia.

Molecular Mechanisms of Sexual Dimorphism in Threespine Stickleback

Sexual dimorphism is commonly understood as differences in external features, such as morphological features or coloration. However, it can more broadly encompass behavior and physiology and at the core of these differences is the genetic mechanism – mRNA and protein expression. How, and which, molecular mechanisms influence sexually dimorphic features is not well understood thus far. DNA, RNA and proteins are the template required to create the phenotype of an individual, and they are connected to each other via processes of transcription and translation. As the genome of males and females are almost identical with the exception of the few genes on the sex chromosome or the sex-determining alleles (in the case of organisms without sex chromosomes), it is likely that many of the downstream processes resulting in sexual dimorphism are produced by changes in gene regulation and result from a regulatory cascade and not from a vastly different gene composition. Thus, in this thesis a systems biology approach is used to understand sexual dimorphism at all molecular levels and how different genomic features, e.g. sex chromosome evolution, can affect the interplay of these molecules. The threespine stickleback, Gasterosteus aculeatus, is used as the model to investigate molecular mechanisms of sexual dimorphism. It has well-characterized ecology and behavior, especially in the breeding season when sexual dimorphism is high. Moreover, threespine stickleback has a recently evolved Y chromosome in the early stages of sex chromosome evolution, characterized by a lack of recombination leading to degeneration (i.e. gene loss). The aim of my thesis is to investigate how the genotype links to the molecular phenotype and relates to differences in molecular expression between males and females. Based on previous research on sex differences in mRNA expression, I investigated sex-biased protein expression in adult fish outside the breeding season to see if differences persisted after translation. As sex-biased expression also prevailed in the proteome and previous transcription expression seemed to be related to the sex chromosomes, I investigated the genome level with a particular focus on the sex-chromosomes. I characterized the status of Y chromosome degeneration in the threespine stickleback and its effects on gene function. Furthermore, since the degeneration process leaves genes in a single copy in males, I examined whether the resulting dosage difference of messenger RNA for hemizygous genes is compensated as it is in other organisms. In addition, threespine sticklebacks have wellcharacterized behavioral differences related to the male’s social status during the breeding season. To understand the connection between the genotype and behavior, I examined gene expression patterns related to breeding behavior using dominant and subordinate males as well as female